Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
+ a% ]0 d) c  C+ OList of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
9 \7 M, n! P: ?7 RChapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
& Q& Z. a. r6 Q# _, I$ p1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
% g5 \9 }% k* s8 P1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
& o3 f4 C  j* x, p5 o; e& R1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
8 x6 O% x0 p& h3 S, ]- Z% a: C/ k1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
6 I' G2 _. N; y. D' ~! _1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Chapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
# P5 @! p) h1 F0 c2 g8 g2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
/ D4 U: e1 ~# A: y0 Z2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
. C! v% Z% `5 P/ L% l) `8 u3 i: R2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
$ k8 ~1 S) a, n0 I$ b2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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- }' h7 @8 ]% x0 i

   2.8 Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322.9 Hipot, Corona, and BIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
! O# a7 ?2 h+ u% L$ d2 B( n) P  _' Z2.10 Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
; a9 @) L2 x3 E( `" O2 Y  d2.11 Metal Oxide Varistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
& V( V9 |' @4 n3 _" o+ v2.12 Protective Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Chapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
1 K4 Q8 d; T" P9 M3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
: u( s  p" U8 M' h) @4 c8 y; y" S3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
5 `7 B/ P9 O) p/ |Chapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
4 c2 c6 v/ s- k/ x/ r7 Y2 _4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
! @) H' X( [0 l4 ~2 n$ r4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
2 D: u. J8 v, xChapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
6 _" v5 G3 p* P& J5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
: B5 \: |# O( b5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
  e7 s- W) _; L3 e& C5 a1 E5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Chapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
$ F( X/ K, _9 B8 d& T. i3 f6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Chapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
2 E; K( i9 b( l& w) H2 [, L7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
, u$ _! U2 X9 k  e7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
+ |! j7 s& L. v+ W1 t7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
* |: P4 B1 }4 S! j1 C$ }# [3 H$ L7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
7.8 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

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7.9 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
8 D' g  ^5 ]3 P7.10 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.11 Instrument Transformers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
$ I: \( t% U& K5 r  q* ]6 L8 PChapter 8 Rotating Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
, _: A2 d! ]3 Q9 P6 h8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
. M7 S* g7 {8 ]9 s# v4 {8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
" L% P: J0 N9 ~( u  d  t5 j- o8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
8 @; ]5 B* q- e, p, U6 `$ x8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
; B0 f# d3 u1 `" m8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
: F2 P/ c( P1 H+ i& Z- WChapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
& V: R. x" Y1 }$ ]9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
7 R9 u5 B& H9 p5 b( w$ m9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
' l* V9 K7 R: S8 Q  ]9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
7 i2 r5 K) x% |: cChapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
% s( S  v8 y3 p; o. s0 l10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
( C$ \; Y% a# Z+ d1 s' W10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
, @& e/ T% w! V9 n  E* a2 \10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
, |0 b* x2 S+ A1 X10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
7 a! b9 M' g0 f& `, d+ f10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
6 V% _. D7 y3 a1 ]' ]# i! d: f10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
6 ^, i3 J2 ]" r  f10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
Chapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
' N4 H* K$ s6 ~  [+ u6 j11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
* |% @3 R4 t+ j. D( K5 q- s11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
7 b7 K0 f4 h  J7 h2 Yviii Contents
Chapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
& @4 i4 @- ^8 l% ]# K1 w12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
4 F* @) Y1 V$ c1 l8 z) k/ r12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
& h+ B' c8 R1 w$ yChapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
/ \  T" C4 m7 K! p13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
3 [/ \* K* z& d% q; Y13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
; v3 w' a4 H# R- {% j% b13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
* Q2 E3 H% h8 q. L13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Chapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
1 I4 k8 V  j2 w, T5 S2 b9 Y14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
$ t4 @8 c& L1 O7 V( j* v) E14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
0 {! W4 q+ ~) }. [; w; M14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
$ D  ~# l% f# W, O5 {6 v14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
Chapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
( _8 M) ~) ]0 ^: k8 H3 R$ E# C: b; m15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
; t, {. S6 g4 U, M15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
Chapter 16 Power Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . .215
- e# W& H! _2 [- P  D; ?  E0 I- _16.1 Motor Drives and SCR Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
16.2 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
16.3 Foundry Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
% ^5 G) k3 D* v. B16.4 Plasma Arcs and Arc Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
: r  ?: H/ S& K16.5 Electrochemical Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.6 Cycloconverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
& B! Z5 f, l; C% l0 N/ _16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
Contents ix
' N( [) a. d1 o4 [7 Z16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
+ B6 V9 o# a, \  }$ C. ~+ w16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
4 p$ O4 D' ^5 j) I, w16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
! L# i/ m# r3 {( `( C. }1 N16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
0 Z) G5 K! L8 _1 R" d8 m8 d; O16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
9 G4 n! Z0 r6 p8 c" f/ _5 v16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
( l+ d) n; O# \- I1 [Appendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
Appendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
Appendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
Appendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
Appendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
$ s9 S, W2 u0 P* I( H* {) q* UAppendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Appendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
0 V( J5 p+ V0 o1 B/ ?Appendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
/ ~9 Z# M: X" {5 mAppendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247
; m) A+ q# E: Q* c; ^
9 z) }3 \  P/ z! Y7 fxi
* h, S- X$ h7 s: `" TList of Figures
Figure 1.1 Generation systems. .................................................3
Figure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
- F; j1 p) D. VFigure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
Figure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
Figure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
0 U! N) I1 r6 u" NFigure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
Figure 2.5 Power resistor types. ..............................................30
Figure 2.6 Simple corona tester...............................................34
2 @1 t8 b# L7 r/ [+ ~9 uFigure 2.7 480-V, 60-mm MOV characteristic. ......................36
  H) m' @+ @! nFigure 3.1 Symmetrical components.......................................41
- B& B; M2 \6 W, H# m0 c3 Y, oFigure 3.2 Arc heater circuit....................................................44
Figure 3.3 Circuit voltage and current waveforms..................44
: d' z6 a8 _- O! t3 `Figure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
% z! t  k# ~! j( K& d( c! qFigure 4.2 R/C frequency response. ........................................51
Figure 4.3 Frequency responses of various networks. ............51
Figure 4.4 Composite response. ..............................................52
Figure 4.5 Frequency responses, F(s), and corresponding
: J/ u* q( ~6 O! C! J( F( q( K- y! Ztime responses, f(t).................................................52

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frank89757

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