Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
- O% J  ]# \& Z0 VList of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
& K, T( i+ _5 s, Q  oChapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
8 A* W) W4 H$ f  g* p1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
0 Q- k5 K$ }$ S; G! L7 \8 L1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
8 U  }- y& S4 D1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
8 b) s/ p5 x  |, b2 I) M: M' W* ^Chapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
8 `$ d# \) c4 x2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
6 M" u7 n6 Y4 t' l2 M# k! k) _5 e% K2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
; I0 |( Q+ J* V9 `2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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回复 2# goodriver
0 {" u. P* ^6 b2 B! `& d
' v5 f8 G! L% J) M- ~+ I
/ f7 D5 @0 x* l: [- ~" M   2.8 Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322.9 Hipot, Corona, and BIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.10 Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.11 Metal Oxide Varistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2 F1 i! f8 i* ^8 L# v2.12 Protective Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
3 }% r; q/ C9 g2 L- M' _Chapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
8 U5 h: H' U. g$ L- |, F3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
/ `7 o: n3 \: A% j9 R' M, J3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
$ T' P3 L  t( K0 M# }7 a) o9 ]1 \3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
8 K  i+ d/ w  h# k3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
" o, m3 B6 P4 y8 a- sChapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
7 U# v# P! ]  `6 Q/ Y9 {4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
. B  I3 d/ U* x/ T* F* H8 y7 ]4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
9 }( W4 c# u& x4 o4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
! J5 v$ E) _' E& Y& q- a3 G4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
( f0 t8 K  h3 e2 Q8 V( J4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
1 Z/ D" f: Z# y8 H/ pChapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
4 }* y) F) Z& j7 F5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
/ J+ s- w; O0 v5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
2 R/ h% \0 d7 g* w) I% VChapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
  |% |; _! H+ ^: L, B: m0 U6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
5 I) |6 G9 T5 d9 p& j1 a$ R6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Chapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
- K# `, u8 ?1 l0 P+ l  n# k7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
/ B7 r1 b1 ~  K3 L7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
! k. H! ]7 A7 [: d2 Z  P7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
4 k6 |9 P7 z7 x7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
/ \: z& q9 [  W7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
  X" t; g8 d) `! p7.8 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

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7.9 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.10 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.11 Instrument Transformers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
Chapter 8 Rotating Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8 \1 R7 _, D+ }# l) Y1 e8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
+ ^, G) u* X- e; r4 {2 zChapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
) m- ~; c9 j' f1 ?9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
/ [3 M2 d3 {3 {/ O2 b# V. ]2 A9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
; D7 v" [& L3 e0 r9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
6 E6 e- i4 q" m- R, C  s# g+ U5 j2 D9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Chapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
- O6 F. y5 X* f) L( X  j. o& `10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
" l8 A- H. J3 @$ c; C1 S1 N8 ?10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
, q; a% v4 m6 k' i# ?8 J  T8 f10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
6 N- D# [' q8 H5 L+ e7 |3 E10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
- h9 |$ j/ {7 e10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
8 U- T( p& H& @10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
. Y+ r8 a( R( z! L" j" cChapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
5 _- U  y# h) a4 B; a3 g11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
8 K6 Y* a& d. _; P! z11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
+ y& Q0 V8 X/ q% k3 q3 A2 a) ^viii Contents
% [, t7 s1 c4 H# aChapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
8 B6 L. I0 a. G12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
. V: h' j5 e8 j12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
" n4 G& o4 V. c& u% X0 h1 XChapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
2 ~  @) S3 G5 r6 f7 r13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Chapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
9 a2 T' j2 N. L! I* X* O0 {& R14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
1 B! t# R  y- w+ U  O% ]# w14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
. u6 S0 G" {$ L14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
) }( e' y! R) U8 D/ G6 j14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
6 D) x0 K$ G7 A! s* x, VChapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
- I4 H& L, O! L& V7 _, T15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
* r& F/ i8 Q  p- J15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
& _  [5 J6 C% Q; kChapter 16 Power Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . .215
  h$ b* x; {# \; T+ k16.1 Motor Drives and SCR Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
16.2 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
$ w# X3 Q) v0 d1 v9 y4 y16.3 Foundry Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
1 x4 D+ m' X, b6 `& i( Y16.4 Plasma Arcs and Arc Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.5 Electrochemical Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
. i" X- V9 D# f. y6 O# M16.6 Cycloconverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
- h6 Y: s% G/ P& \' C9 e16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
0 C4 K/ t' {/ D4 bContents ix
16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
3 S5 t" W% J( B- J16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
; T8 [1 e' y7 m, r" t1 A16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
+ x4 o6 U& |3 o16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
, p8 x5 m7 Y6 L$ X# L4 H$ f16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
8 t) `+ [- @9 s( _" d, N0 W# E' I16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
Appendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
Appendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
" M- L( q& P4 `( L) @Appendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
# h4 w+ y/ H0 O1 e9 [Appendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
Appendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
6 T+ |9 Y- y  C8 _- ]Appendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Appendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
* ^! d& A$ ^& U# lAppendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
Appendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247

xi
0 C' o( R. j- Q0 w$ A5 v. HList of Figures
% @% _1 Q$ Q5 t: R, q& n0 j+ [# \Figure 1.1 Generation systems. .................................................3
- D. a) H& N1 M5 VFigure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
/ X0 N+ X$ q: d  [6 H8 xFigure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
Figure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
Figure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
Figure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
. a/ G& c8 V! s7 r; WFigure 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
& Y; ~6 |1 h4 n) K, Q4 E- XFigure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
Figure 4.2 R/C frequency response. ........................................51
Figure 4.3 Frequency responses of various networks. ............51
0 _4 H/ ?# E* I* q+ p1 XFigure 4.4 Composite response. ..............................................52
8 D  R) C! ]5 SFigure 4.5 Frequency responses, F(s), and corresponding
time responses, f(t).................................................52

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frank89757

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