Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
& t# w: ?! G& H. |  fList of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
9 J) l( o1 u7 A; E3 W* ?2 h6 \& PPreface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
Chapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
: N& }3 w& T: }1 F! o1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
& s4 E) |/ T- z. J1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
  V+ D2 |( @. A1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
! |( o( ]0 o3 ^& f4 X1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Chapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
: e( I: T8 }0 H2 j  D. J2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
) b& v/ @  h) b1 H" C+ v2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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# `0 U& k* |4 B5 B3 ?$ P! w$ m
; c: i% R4 Y+ j8 g& e+ m
; A: L4 G4 D' p% ]   2.8 Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322.9 Hipot, Corona, and BIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
- t6 a# q8 q, ~1 S8 [& i) U; A2.10 Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
* x, O5 m! D$ X8 G/ F$ O2.11 Metal Oxide Varistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
3 J3 W8 z% q% U7 X7 J2.12 Protective Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
! e$ j. y) S2 H; {" K# d' PChapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
5 I  o! V9 A, Q3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
- w, [# D9 V8 Y. x: O- s  w+ X9 {3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
1 b) P; Q( W4 R% K; q1 nChapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
7 u9 s8 o9 @+ @+ D: f6 E! _2 z4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
- D3 u- n' g8 s& ^4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Chapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
$ l) r0 f! J( a2 W- e' f- q1 e9 D5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
$ u  }# b! [  K3 ^5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
# S" c1 I# i5 Z5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Chapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
9 r) n8 O5 F$ O, G/ @1 @6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Chapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
4 G# S9 ?! i( }4 h: u7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
: Y/ ?( [6 H3 B) e: F* ~* h7 q7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
3 J/ R+ A. e6 t4 o7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
* I4 Q2 Z: {; q/ j3 L- o7.8 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

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7.9 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.10 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
& O1 d8 x5 y* N( g7.11 Instrument Transformers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
, m5 _. Q5 _3 H8 X" @0 u. TChapter 8 Rotating Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
) a7 ~; W8 N& M" Q" k7 }$ x8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
. M# g1 K& W& E8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
7 c& K  w: B2 G: X1 m8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
: D3 p* ]* H" s+ y7 `8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
3 k8 H3 M. z6 K8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
' f' ]2 C) s3 Q2 x  B6 y- r4 W, dChapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
! v6 I5 ~: W- o) k9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
% p, i; y! U* M0 C) A6 m/ _9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
+ {* S7 G4 w; e) {: V* P  x# S. u1 P& k9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Chapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
5 s) i$ j: E6 c+ u- h10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
9 o0 r! B% t8 p/ c10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
' M( R! h9 i$ a: l10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
! _  N1 }% y- f  o9 _' s1 l10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
8 c- j! A9 D. f7 C; ?: b# }$ K10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
& S) U  f, B" [9 D10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
  x3 |, Y, z! j, a' r10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
Chapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
) a2 u+ d( W( Y* j, [/ }7 Q11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
viii Contents
Chapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
2 D& j6 y: ^& _. {2 Z7 N  L" W8 Q12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
Chapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
# X1 L, \% Z8 {2 }' {, y13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
  W' ]4 n- h, r1 \) K+ E13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
2 Y7 h$ I. }. @% O7 D13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
3 `" {2 X5 F6 K. U/ v* o5 g13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
/ E" x3 d  Q0 h0 hChapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
% h! ~: j9 }  t: d4 B4 r: b14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
+ `: F4 ~: A2 x) C( p14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
* `( f- l8 k. n) P% C! p2 I14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
' M& k2 E: ~4 c14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
. |- m. O4 K2 s, H6 e6 d) ^  J14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
# v+ I% A: G, C! U2 bChapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
3 x- }8 P6 t# v1 I15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
/ K) ^: K% G5 k, r7 A3 U& u15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
0 @2 G" h! R' D- S; f! O& w15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
Chapter 16 Power Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . .215
16.1 Motor Drives and SCR Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
16.2 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
16.3 Foundry Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
16.4 Plasma Arcs and Arc Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
; H% S+ R2 @; w, `5 X* g) C0 @16.5 Electrochemical Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
0 y8 N4 `) L; \0 F/ F16.6 Cycloconverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
Contents ix
16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
% |) ^  Y; j0 v9 Q3 h" K% z' d7 G2 a16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
0 h* g7 c, X$ k16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
. Z; @/ x7 w# F9 Z7 D16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
& w# A! K% V/ ?$ G$ }Appendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
Appendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
3 O* J; ?0 u. n4 r! Y9 c) FAppendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
Appendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
* [* K- V* S$ o5 s/ @Appendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
Appendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
$ X+ F& B0 V* n% j5 u' g$ yAppendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
  K* }! l# H) x% X$ `# dAppendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
Appendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
" S& k2 t2 D# ~- e& ^7 \7 YIndex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247

4 e/ s! L, P! f' }: [9 txi
/ A9 k* w' C* l; w! t. NList of Figures
Figure 1.1 Generation systems. .................................................3
Figure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
% i, u; H; y8 l9 HFigure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
5 _# R+ M+ d+ z) UFigure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
2 N  G) y8 ?$ QFigure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
Figure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
Figure 2.5 Power resistor types. ..............................................30
Figure 2.6 Simple corona tester...............................................34
Figure 2.7 480-V, 60-mm MOV characteristic. ......................36
Figure 3.1 Symmetrical components.......................................41
Figure 3.2 Arc heater circuit....................................................44
Figure 3.3 Circuit voltage and current waveforms..................44
Figure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
/ f% _! j  ?  k! e- }' r2 |1 w7 uFigure 4.2 R/C frequency response. ........................................51
Figure 4.3 Frequency responses of various networks. ............51
" v' ]2 w$ [/ xFigure 4.4 Composite response. ..............................................52
Figure 4.5 Frequency responses, F(s), and corresponding
time responses, f(t).................................................52

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frank89757

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