Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
0 H# o& r# J& r6 b9 W: _List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
$ w( O7 [0 k8 dPreface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
$ @' P& G2 X$ ^& I( {3 nChapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
( ], T$ {+ Q. n- q! o1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
5 H3 D% m# X! f9 l9 G9 m1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
% l( z9 [( J5 k7 F1 ^1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
* s3 B0 t. r- N- C  A1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
  Z8 ~: e! m; ^$ {3 ?6 T5 N/ ~) ?Chapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1 H& O% _* s: c0 N! _2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
# c8 _# p! S9 A2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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, s5 L. S( }& N, X

   2.8 Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322.9 Hipot, Corona, and BIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.10 Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.11 Metal Oxide Varistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.12 Protective Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
! v% h' y$ R. `4 c3 wChapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
; B/ X0 n$ \, v) U/ V! P3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
1 L. E. p+ c5 S* i7 L3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Chapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
/ Q" k5 \5 Y+ ]1 O  q: I1 Z& E4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
* F" a3 p$ i2 y& }6 l! h4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
5 |" H, j0 J* E  G  h( L) yChapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
/ E3 N) j: A3 Y" A9 ?( x: ~Chapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
4 L" W( b7 A4 S; Y9 p) d6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Chapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
$ |- J1 s7 F# o% }" q4 h7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
9 c, W7 h* d" l4 B/ b: N: @0 V4 |9 }$ L7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
2 G1 X! G$ t$ i! g& ~7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
% h9 Q  t) m$ Y6 I7.8 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

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7.9 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.10 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
2 Q6 Q, D1 ^' o" i4 W7.11 Instrument Transformers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
Chapter 8 Rotating Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
7 ?7 b+ L# B  j" F! \# d8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
% {) C2 C8 X8 X7 R8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
$ {( t! I: [6 ?; `) @  ?: |8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Chapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
2 P, X* ^6 |8 X7 i& y9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
& [+ E4 z- N5 z% T9 G9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
4 u8 `6 }4 ]1 J. Q9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Chapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
7 v1 g. R) G* q; L! n, {% E- V10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
3 L! t( Q+ S3 g7 _: `4 ?10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
& ?0 q7 {- F: e( J  f9 k10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
& c7 }' q; X# X" F* H% N10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
- @' f7 S6 n" F3 Y: b10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
: b7 E9 e- U5 c# c0 V& i, y/ p10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
3 R& U0 p) j  N/ y! F10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
Chapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
viii Contents
1 Z+ {: O$ z1 U" d8 n9 zChapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
$ S( J7 V- J1 x! o3 Z. S; j12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
5 B: T" f) v4 w' r& L12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
5 I. z& P6 k7 l3 @" c: [! w1 {. rChapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
9 x" n" ^' e1 w' |8 o8 M13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
- l6 p" m$ \' n4 `% @' [! ?13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Chapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
3 i' M( f) ]) s4 p) h: w+ G14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
$ Z5 H! E$ j" D  T' ~# H8 i14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
% n! G+ |8 D* y! u& U' J14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
) W+ S4 a" Q& m8 u) {* ]: J14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
, ?( `! c: V( y0 |* x' ?2 U+ _9 x14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
. N' h0 Z- D8 O; n" D/ U' iChapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
* a" S' o3 K: K) P; }$ X% g9 Z15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
! H; e! a" t# M1 L1 A: s15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
  {# Z4 U9 Y2 S. h1 `5 I+ R  P15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
Chapter 16 Power Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . .215
# ]: r8 n3 u2 ?16.1 Motor Drives and SCR Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
16.2 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
16.3 Foundry Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
$ r. C7 w' S& r16.4 Plasma Arcs and Arc Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
4 a- ~4 j& A  s6 i$ L; S( m16.5 Electrochemical Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.6 Cycloconverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
! L0 D7 @5 D: d" n3 O16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
1 f7 g% ]5 B6 m/ {Contents ix
16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
$ O6 f4 \0 m4 \0 Z' U16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
- M1 x% J9 A2 }8 b/ X16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
' J# v+ i1 u2 w: i/ g. |& Z16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
) D' L* w, ?' [4 Y* }9 b% M& w$ p5 l16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
Appendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
9 d; h2 G7 t& y, u# t% nAppendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
Appendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
Appendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
Appendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
. e" r9 }& h) {1 {2 J2 zAppendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
# D! K: F! D! w6 J& W* c5 `& \Appendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
6 T2 [' d3 U9 i' p% a* LAppendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
  v# v; {4 \. I: P, @Appendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
# l& J9 m6 N$ J; n% lIndex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247

xi
List of Figures
! L3 U' v' {" L# GFigure 1.1 Generation systems. .................................................3
7 U) N4 \! ]: r. E8 W6 RFigure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
Figure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
Figure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
Figure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
3 D( O- D# m0 n+ `; c3 p" ?4 ^, CFigure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
" N8 I* c1 L: y4 w' R  gFigure 2.5 Power resistor types. ..............................................30
: K$ C6 j0 `" ~7 Z- E" jFigure 2.6 Simple corona tester...............................................34
Figure 2.7 480-V, 60-mm MOV characteristic. ......................36
" o: n' V! S7 n0 F5 L- tFigure 3.1 Symmetrical components.......................................41
" Q# `9 p) U5 r7 GFigure 3.2 Arc heater circuit....................................................44
' Q( ?; q: G' M, |Figure 3.3 Circuit voltage and current waveforms..................44
Figure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
$ M8 m' u+ m) c6 `Figure 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
9 B3 i% ~3 {/ P; h' ^# gtime responses, f(t).................................................52

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frank89757

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