Power electronics : devices, circuits and industrial applications

1017 Pages·2005·7.69 MB·English

by  Moorthi

OXFORD
Power
Electronics

Devices, Circuits and Industrial
Applications

V. R. MOORTHI

Oxford University Press
Copyright 2010
Oxford University Press

ISBN 13: 978-0195670929
Table of Contents

1. Thyristor Physics 
1 
1.1 Introduction  1 
1.2 Behaviour of Semiconductor Devices under Biased Conditions  3 
1.2.1 Behaviour of a Thyristor under Biased Conditions  6 
1.2.2 Gate Firing of the Thyristor  9 
1.2.3 Two‐Transistor Analogy of the Thyristor  11 
1.3 Methods for Triggering  12 
1.3.1 Thermal Triggering  12 
1.3.2 Triggering due to Light Radiation  12 
1.3.3 Gate Triggering  12 
1.3.4 Effect of Load Parameters on Current Rise  16 
1.3.5 dv/dt Triggering  16 
1.3.6 Reverse Characteristic  18 
1.4 Gate Turn‐on Methods  19 
1.4.1 DC Triggering  20 
1.4.2 AC Triggering  21 
1.4.3 Unijunction Transistor Trigger Pulse Generator  28 
1.5 Thyristor Turn‐off  36 
1.5.1 Current Reduction  38 
1.5.2 AC Line Commutation  39 
1.5.3 Forced Commutation Circuits  39 
1.6 Ratings of a Thyristor  48 
1.6.1 Voltage Ratings  48 
1.6.2 Current Ratings  49 
1.6.3 Average Forward Current (I  or I  )  50 
F (av) T
1.6.4 RMS Current Rating (I  or I )  54 
TR RMS
1.6.5 Peak Repetitive Forward Current Rating (I )  54 
TRM
1.6.6 Surge Current Rating (I  or I )  55 
TSM FM
1.6.7 I2 t Rating  55 
1.6.8 Other Ratings  55 
1.7 Protection of Thyristors  55 
1.7.1 Protection against Voltage Surges  56 
1.7.2 Protection against Direct Overcurrents  61 
1.7.3 Protection against Alternating Overcurrents  63 
1.7.4 Gate Protection Circuits  64
1.8 Other Members of the Thyristor Family  64 
1.8.1 DIAC  65 
1.8.2 TRIAC  66 
1.8.3 Inverter Grade Thyristor  69 
1.8.4 Gate Turn‐off Thyristor  69 
1.8.5 Programmable Unijunction Transistor  73 
1.8.6 Reverse Conducting Thyristor  76 
1.8.7 Static Induction Thyristor  76 
1.8.8 Light‐Activated SCR  76 
1.8.9 MOS‐Controlled Thyristor  77 
1.9 Other Power Electronic Devices  79 
1.9.1 The Power Transistor  79 
1.9.2 Power MOSFET  85 
1.9.3 Insulated Gate Bipolar Transistor  89 
1.10 Applications  90 
Summary  91 
Worked Examples  92 
Exercises  106 
2. Controlled Rectifiers 
122 
2.1 Introduction  122 
2.2 Single‐Phase Rectifiers  124 
2.2.1 Single‐Phase, Full‐Wave Circuit with Centre‐Tapped Secondary  125 
2.2.2 Single‐Phase, Full‐Wave Bridge Rectifiers  127 
2.3 Three‐Phase Rectifiers  134 
2.3.1 Three‐Phase, Half‐Wave Controlled Rectifier  135 
2.3.2 Three‐Phase, Full‐Wave Rectifiers  137 
2.4 Voltage and Current Expressions for an n‐Phase Controlled Rectifier  145 
2.4.1 n‐Phase Controlled Rectifier Feeding a Purely Resistive Load  145 
2.4.2 n‐Phase Rectifier Feeding a Resistive Load in Series with a Battery of 
Voltage E   147 
b
2.4.3 n‐Phase Rectifier Feeding an Inductive Load  150 
2.4.4 n‐Phase Rectifier Feeding an Inductive Load in Series with a Battery of 
Voltage E   154 
b
2.4.5 General Remarks Regarding n‐Phase Rectifiers  158 
2.5 Inverting Mode of a Converter  159 
2.5.1 Extinction Angle and its Significance  162 
2.6 Ripple Factor  165 
2.6.1 α ≤ sin‐1 (V  /V ) ‐ (π/2 ‐ π/n)  165 
α m
2.6.2 α> sin‐1 (V /V ) ‐ (π/2 ‐ π/n)  168 
α m
2.7 Transformer Leakage Reactance and its Effects on Converter Performance  169
2.7.1 Effect of Leakage Reactance with α= 0  170 
2.7.2 Effect of Leakage Reactance with α > 0  173 
2.8 Rectifier Efficiency and Derating Factor of Rectifier Transformers  175 
2.8.1 General Principles  176 
2.8.2 Expressions for Rectifier Efficiency and Derating Factor  184 
2.8.3 Summary of the Expressions for Rectifier Efficiency and Derating Factor  199 
2.9 Input Power Factor  200 
2.9.1 n‐Phase, Full‐Wave Fully Controlled Rectifier  201 
2.9.2 Three‐Phase, Half‐Wave Controlled Rectifier  202 
2.9.3 Three‐Phase, Half‐Wave Controlled Rectifier Fed by a Star/Zigzag 
Transformer  202 
2.9.4 Six‐Phase, Half‐Wave Rectifier Fed by a Star/Interstar Transformer  204 
2.9.5 Six‐Phase, Half‐Wave Rectifier Fed by a Delta/Interstar Transformer  205 
2.10 Dual Converters  206 
2.10.1 Non‐Simultaneous Control  206 
2.10.2 Simultaneous Control  208 
2.10.3 Circulating Current  208 
2.11 Hoist Operation  211 
2.12 Braking of DC Motors  214 
2.12.1 Dynamic Braking  214 
2.12.2 Plugging  215 
2.12.3 Regenerative Braking  216 
2.13 Power Factor Improvement  218 
2.13.1 Extinction Angle Control  219 
2.13.2 Symmetrical Pulse Width Modulation  222 
2.13.3 Selective Harmonic Elimination Using PWM  224 
2.13.4 Sinusoidal PWM  227 
2.13.5 Sequence Control of Rectifiers  229 
Summary  235 
Worked Examples  236 
Exercises  254 
3. DC Choppers 
277 
3.1 Introduction  277 
3.1.1 Principle of a DC Chopper  278 
3.2 Step‐down and Step‐up Choppers  279 
3.2.1 Step‐down Chopper  279 
3.2.2 Analysis with DC Motor Load  284 
3.2.3 Step‐up Chopper  286 
3.3 Choppers Based on the Quadrants of Operation  289 
3.3.1 Second‐Quadrant Chopper  290
3.3.2 Two‐Quadrant Chopper  293 
3.3.3 Four‐Quadrant Chopper  300 
3.4 Speed Control of a Chopper‐Controlled DC Series Motor  307 
3.5 Commutation Circuits  309 
3.5.1 Modified Parallel Resonant Turn‐off Circuit  309 
3.5.2 Morgan Chopper  313 
3.5.3 Jones Chopper  316 
3.5.4 A Special Current‐Commutated Chopper  318 
3.5.5 Load Commutated Chopper  321 
3.5.6 Voltage Commutated Chopper  325 
3.6 Applications  327 
3.7 Advantages and Drawbacks of DC Choppers  328 
Summary  328 
Worked Examples  329 
Exercises  340 
4. AC Line Voltage Control 
349 
4.1 Introduction  349 
4.2 Methods for AC Voltage Variation  351 
4.2.1 AC Voltage Variation by a Smoothly Varying Transformer  352 
4.2.2 On‐off Control  352 
4.2.3 Time‐Ratio Control  352 
4.2.4 Switching the Supply Once in a Half‐Cycle  352 
4.2.5 Periodically Switching the Supply Several Times in a Half‐Cycle  354 
4.3 Single‐Phase AC Choppers  354 
4.3.1 A Single‐Phase Chopper with a Resistive Load  354 
4.3.2 A Single‐Phase Chopper with an Inductive Load  357 
4.4 Three‐Phase AC Choppers  360 
4.4.1 Chopper Category A  360 
4.4.2 Chopper Category B  364 
4.4.3 Chopper Category C  370 
4.4.4 Chopper Category D  376 
4.4.5 A Comparative Study of Three‐Phase Choppers  379 
4.5 Single‐Phase AC Choppers Used as Sequence Controllers  380 
4.5.1 Single‐Phase Transformer Tap‐Changer  381 
4.6 Application of AC Controllers to AC Drives  386 
Summary  391 
Worked Examples  391 
Exercises  406
5. Inverters  414 
5.1 Introduction  414 
5.2 Classification of Inverters  415 
5.3 Single‐Phase, Parallel Capacitor Inverter  416 
5.3.1 Analysis  420 
5.3.2 Design of Commutating Elements  421 
5.4 Voltage Source Inverters  425 
5.4.1 Three‐Phase Bridge or Six‐Step Inverter  428 
5.4.2 Single‐Phase McMurray Bridge Inverter  432 
5.4.3 Three‐Phase McMurray Bridge Inverter  438 
5.4.4 Single‐Phase McMurray‐Bedford Inverter  438 
5.4.5 Analysis of the Single‐Phase McMurray‐Bedford Inverter  450 
5.4.6 Three‐Phase McMurray‐Bedford Inverter  456 
5.4.7 Three‐Phase 120°‐Mode VSI  457 
5.4.8 Three‐Phase Input Circuit Commutated Inverter  458 
5.5 Pulse Width Modulated VSIs  464 
5.5.1 Single Pulse Width Modulated Inverters  464 
5.5.2 Multiple Pulse Width Modulated Inverters  467 
5.5.3 Sinusoidal PWM (SPWM)  469 
5.5.4 Features of Output with PWM  470 
5.5.5 Harmonics in Three‐Phase PWM Inverters  471 
5.5.6 Advantages and Disadvantages of PWM Inverters  473 
5.5.7 Constant Voltage‐to‐Frequency Operation of PWM Inverters  474 
5.5.8 Reduction of Harmonics by the PWM Technique  474 
5.6 Some Important Aspects of VSIs  476 
5.6.1 Voltage Control of VSIs  476 
5.6.2 Braking of VSI‐Based Drives  478 
5.7 Current Source Inverters  480 
5.7.1 Single‐Phase Current Source Inverter  481 
5.7.2 Three‐Phase Bridge Type of Current Source Inverter  483 
5.7.3 Regenerative Braking of CSI Drives  488 
5.8 The Load Commutated Inverter  490 
5.8.1 Line Commutated Converter  490 
5.8.2 Bridge Inverter  490 
5.8.3 Other Features of the LCI  495 
5.8.4 Merits and Demerits of LCI  495 
5.8.5 Applications of LCI  496 
Summary  496 
Worked Examples  497 
Exercises  507
6. Cycloconverters 
516 
6.1 Introduction  516 
6.2 Principle of the Cycloconverter  519 
6.3 Non‐Simultaneous Control  520 
6.4 Simultaneous Control  524 
6.4.1 Inverse Cosine Firing  526 
6.4.2 Firing Scheme for a Three‐Phase Dual Converter  528 
6.4.3 Firing Scheme for a Single‐Phase, Line Commutated Cycloconverter  529 
6.4.4 Four‐Quadrant Operation under Reactive Load Conditions  532 
6.4.5 Circulating Currents in a Simultaneously Controlled Single‐Phase 
Cycloconverter  533 
6.5 Circuit Analysis  535 
6.5.1 Output Voltage  535 
6.5.2 Input Displacement Factor  536 
6.5.3 Fundamental RMS Current  537 
6.5.4 Transformer Rating  539 
6.5.5 Current Ratings  539 
6.5.6 Peak Reverse‐ and Forward Blocking Voltage Ratings  540 
6.6 Three‐Phase Cycloconverters  542 
6.7 Frequency and Voltage Control  544 
6.8 Load Commutated and Forced‐Commutated Cycloconverters  546 
6.9 Cycloconverter versus Six‐Step VSI  547 
Summary  548 
Worked Examples  549 
Exercises  558 
7. DC Drives 
565 
7.1 Introduction  565 
7.2 Steady‐State Relationships of a Separately Excited DC Motor  566 
7.3 Speed Control of a Separately Excited DC Motor  568 
7.3.1 Armature Control Method  568 
7.3.2 Field Control Method  570 
7.3.3 Combined Armature and Field Control Method  571 
7.4 Single‐Phase Converter Drives  572 
7.5 Three‐Phase Converter Drives  574 
7.5.1 Discontinuous Conduction  574 
7.5.2 Continuous Conduction  576 
7.6 Dynamic Behaviour of a Separately Excited DC Motor Fed by Rectifiers  577 
7.6.1 Speed Control Using Armature Voltage Variation  577 
7.6.2 Speed Control Loop Incorporating Field Voltage Variation  580
7.6.3 Closed‐Loop Current Control  581 
7.6.4 Armature Control with an Inner Current Loop  582 
7.6.5 A Comprehensive Control Scheme for Wide‐Range Speed Control  583 
7.6.6 Closed‐Loop Drive with Four‐Quadrant Operation  584 
7.6.7 Speed Control of a Rectifier Controlled DC Series Motor  587 
7.7 Chopper‐Based DC Drives  589 
7.7.1 Analysis of a Chopper‐Based Drive  590 
7.7.2 Regenerative Braking of a Separately Excited DC Motor  591 
7.7.3 Regenerative Braking of a DC Series Motor  595 
Summary  597 
Worked Examples  597 
Exercises  618 
8. AC Drives 
627 
8.1 Introduction  627 
8.2 Induction Motor Drives  628 
8.2.1 Equivalent Circuit and Analytical Relationships  629 
8.2.2 Circuit Analysis  631 
8.2.3 Speed‐Torque Curves  632 
8.2.4 Methods for Speed Control  635 
8.2.5 Control Schemes for Speed Control of Induction Motors  648 
8.3 Rotor‐Related Control Systems for a Wound Rotor Induction Motor  652 
8.3.1 Rotor Resistance Control  653 
8.3.2 Slip Energy Recovery Scheme  659 
8.4 Synchronous Motors  669 
8.4.1 Cylindrical Rotor Machine  669 
8.4.2 Salient Pole Machine  674 
8.4.3 Speed and Torque Control  676 
8.4.4 Open‐ and Closed‐Loop Control Schemes  677 
8.4.5 Applications of Synchronous Motor Drives  681 
Summary  682 
Worked Examples  683 
Exercises  717 
9. Brushless DC Motors 
731 
9.1 Introduction  731 
9.2 Sinusoidal and Trapezoidal Brushless DC Motors  732 
9.3 Electronic Commutator  733 
9.3.1 Optical Sensors  738 
9.4 Torque Production  738 
9.4.1 The Sinusoidal‐Type Two‐Phase, Brushless DC Motor  739
9.4.2 Three‐Phase, Half‐Wave, Brushless DC Motor  740 
9.4.3 Three‐Phase, Full‐Wave, Brushless DC Motor  742 
9.5 Control of Brushless DC Drives  744 
9.5.1 A Typical Brushless DC Drive  745 
9.6 Other Current Controllers  748 
9.6.1 Ramp Comparison Current Control  748 
9.6.2 Delta Current Control  748 
9.6.3 Space Vector Current Control  749 
9.7 Recent Trends  750 
9.7.1 Materials Used for the Permanent Magnet  751 
9.7.2 Alternative Methods for Rotor Position Sensing  751 
9.7.3 Estimation of Winding Currents  751 
9.8 Brushless DC Motors Compared with other Motors  751 
9.8.1 Brushless DC Motor versus Brush DC Motor  751 
9.8.2 Brushless DC Motor versus Induction Motor  752 
9.8.3 Brushless DC Motor versus Brushless Synchronous Motor  753 
Summary  753 
Exercises  754 
10. Control Circuits for Electronic Equipment 
757 
10.1 Introduction  757 
10.2 Pulse Transformers  758 
10.3 Opto‐Isolators  763 
10.4 A Typical Scheme for Gate Firing  766 
10.4.1 Firing Pulse Requirements for Inductive Loads  766 
10.5 Zero Crossing Detection  770 
10.5.1 Zero Voltage Detection  771 
10.5.2 Zero Current Detection  774 
10.6 Gate Firing Schemes for a Three‐Phase Bridge Converter  775 
10.6.1 Ramp‐Comparator Method  775 
10.6.2 Digital Firing Scheme  777 
10.7 Gate Drive Circuits  779 
10.7.1 Pulse Amplifier Circuit for Thyristors  779 
10.7.2 Drive Circuit for Power Transistors  780 
10.7.3 Drive Circuit for GTOs  782 
10.7.4 Drive Circuit for MOSFETs  784 
10.8 Transformer‐Isolated Circuits for Driving MOSFETs and IGBTs  785 
10.8.1 Multipurpose Use of the Isolating Transformer  785 
10.8.2 A Circuit with Smooth Duty Ratio Transition  787 
Summary  787 
Exercises  788