made easy publications · pdf file4 1 thyristor ... thyristor commutation techniques...111 5 1...

10

Upload: phunglien

Post on 23-Mar-2018

225 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction
Page 2: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction

MADE EASY Publications

Corporate Office: 44-A/4, Kalu Sarai (Near Hauz Khas Metro Station), New Delhi-110016E-mail: [email protected]: 011-45124660, 8860378007

Visit us at: www.madeeasypublications.org

Power ElectronicsCopyright © 2016, by MADE EASY Publications.All rights are reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in or introduced into a retrieval system, or transmitted in any form or by any means (electronic, mechanical, photo-copying, recording or otherwise), without the prior written permission of the above mentioned publisher of this book.

First Edition: 2015Second Edition: (Revised and Updated) : 2016

© All rights reserved by MADE EASY PUBLICATIONS. No part of this book may be reproduced or utilized in any form without the written permission from the publisher.

Publications

Page 3: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction

This book was motivated by the desire to further the evolution of a concise

book on Power Electronics. Keeping in focus the importance of this subject in

GATE and ESE, we have done a proper study and thereafter developed the

content of the book accordingly. This edition has an expanded discussion

of all relevant topics in the subject.

Initially, we compiled the perceptions of our students on their problems

in GATE and ESE while dealing with the questions from this subject. We

identified their various problems like- lack of fundamentals of the subject,

difficulty in solving simple questions, shortage of a complete study package, etc. These strengthened

our determination to present a complete edition of Power Electronics textbook.

The book addresses all the requirements of the students, i.e. comprehensive coverage of theory, fundamental

concepts, objective type problems and conventional problems, articulated in a lucid language. The concise

presentation will help the readers grasp the concepts with clarity and apply them with ease to solve problems quickly.

The book not only covers the entire syllabus of GATE and ESE, but also addresses the need of many other competitive

examinations. Topics like ‘Power semi-conductor diode and transistor, Diode rectifiers, Thyristors, Commutation

techniques, Phase controlled rectifiers, Choppers, Inverters, AC voltage controllers, Cyclo converters, Drives, SMPS,

and HVDC’, are given full coverage in line with our research on their importance in competitive examinations.

We have put in our sincere efforts to present elaborate solutions for various problems, different problem solving

methodology, some useful quick techniques to save time while attempting MCQs without compromising the accuracy

of answers. A summary of important points to remember is added at the end of each topic. For the convenience of

the readers, points to remember are specifically highlighted in the form of a note- both in theory as well as solved

examples. At the end of each chapter, sets of practice question are given with their keys, that will allow the readers

to evaluate their understanding of the topics and sharpen their problem solving skills.

Our team has made their best efforts to remove all possible errors of any kind. Nonetheless, we would highly

appreciate and acknowledge if you find and share with us any printing, calculation and conceptual error.

It is impossible to thank all the individuals who helped us, but we would like to sincerely thank all the authors, editors

and reviewers for putting in their efforts to publish this book.

With Best Wishes

B. Singh

CMD, MADE EASY

Preface

Page 4: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction

Chapter 1Introduction ��������������������������������������������������������� 1 1�1 Block Diagram of Power Electronic Systems ������� 1

1�2 Classification of The Power Semiconductors ������ 4

Chapter 2Power Semi-conductor Diode & Transistor ���������� 8 2�1 Basic Semiconductor Physics ������������������������������������ 8

2�2 Basic Structure and I-V Characteristics ������������������ 8

2�3 Power Bipolar Junction Transistor :

(Power BJT) �������������������������������������������������������������������14

2�4 Power MOSFET �������������������������������������������������������������21

2�5 Insulated Gate Bipolar Transistor : (IGBT) �����������26

Chapter 3Diode Rectifiers ������������������������������������������������������30 3�1 Single-Phase Halfwave Rectifier ����������������������������30

3�2 Single-Phase Halfwave Diode Rectifier with

L-Load ������������������������������������������������������������������������������32

3�3 Single-Phase Halfwave Diode Rectifier with

C-Load �����������������������������������������������������������������������������35

3�4 Single-Phase Halfwave Rectifier with RL-Load �36

3�5 Single-Phase Halfwave Diode Rectifier with RL-

Load and Freewheeling Diode �������������������������������40

3�6 Single-Phase Halfwave Diode Rectifier with RE-

Load ���������������������������������������������������������������������������������43

3�7 Single-Phase Fullwave Diode Rectifier ����������������47

3�8 Single-Phase Fullwave Diode Bridge Rectifier ��49

3�9 Performance Parameters ������������������������������������������52

3�10 Three-Phase Rectifier �������������������������������������������������56

3�11 Three-Phase Halfwave Diode Rectifier ����������������56

3�12 Three-Phase Midpoint 6-Pulse Diode Rectifier 61

3�13 Three-Phase Halfwave Diode Rectifier with

Common Anode Arrangement ������������������������������63

3�14 Three-Phase Diode Bridge Rectifier����������������������64

Chapter 4Thyristors ������������������������������������������������������������70 4�1 Thyristor ��������������������������������������������������������������������������70

4�2 Silicon Controlled Rectifier (SCR) ���������������������������70

4�3 Structural Modification of the Device ������������������82

4�4 Heating and Cooling of SCR ������������������������������������83

4�5 Series and Parallel Operation of SCR ��������������������83

4�6 Firing Circuits for Thyristors �������������������������������������90

4�7 Other Members of Thyristor Family ����������������������95

Student Assignments-1 ........................................... 108

Chapter 5Thyristor Commutation Techniques ...111 5�1 Introduction ��������������������������������������������������������������� 111

Class-A, Class-B, Class-C, Class-D, Class-E and

Class-F

Student Assignments-1 ........................................... 125

Chapter 6Phase Controlled Rectifiers .................126 6�1 Introduction ��������������������������������������������������������������� 126

6�2 Firing Angle ���������������������������������������������������������������� 126

6�3 1-f Halfwave Rectifier with R-Load �������������������� 126

6�4 1-f Halfwave Rectifier with RL-Load ������������������ 131

6�5 1-f Halfwave Rectifier with R-L Load and

Free-wheeling Diode ���������������������������������������������� 133

6�6 Single Phase (1-f) Halfwave Rectifier with

RLE Load ���������������������������������������������������������������������� 136

6�7 1-f Fullwave Mid-Point Type Rectifier �������������� 140

6�8 1-f Fullwave Bridge Type Rectifier with R-Load ������ 142

6�9 1-f Fullwave Bridge Type Rectifier with RL-Load ���� 143

6�10 1-f Fullwave Bridge Type Rectifier with RLE Load��� 145

6�11 Inverter Mode of Operation ��������������������������������� 150

(iv)

Power ElectronicsContents

Page 5: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction

(v)

6�12 1-f Fullwave Semi-converter with RLE Load (or)

1-f Full wave Half Controlled Rectifier with Free

Wheeling Diode �������������������������������������������������������� 153

6�13 3-f Controlled Half Wave Rectifier ��������������������� 163

6�14 3-f Halfwave Rectifier with R-L Load ���������������� 167

6�15 3-f Full Converter (or) 3-f Full wave Rectifier with

R Load ��������������������������������������������������������������������������� 168

6�16 3-f Full Converter (or) 3-f Full wave Bridge

Rectifier with RLE Load ������������������������������������������� 171

6�17 3-f Fullwave Semi-converter with RLE Load and

Freewheeling Diode ������������������������������������������������ 174

6�18 Effect of Source Inductance in 1-f Rectifier���� 175

6�19 Dual Converter ���������������������������������������������������������� 182

Chapter 7 Choppers �����������������������������������������������������������187 7�1 Definition �������������������������������������������������������������������� 187

7�2 Principle of Operation of Step Down Chopper ��� 187

7�3 Principle of Operation of Step-up Choppers �� 191

7�4 Step up/Step down Choppers ����������������������������� 195

7�5 Switching Mode Regulators ��������������������������������� 197

7�6 First-Quadrant or Type-A Chopper �������������������� 206

7�7 Second-Quadrant or Type-B Chopper �������������� 207

7�8 Type-D Chopper (or) Two Quadrant Type-B

Chopper ����������������������������������������������������������������������� 208

7�9 Four Quadrant Chopper or Type-E Chopper �� 208

7�10 Steady State Analysis of Type A Chopper �������� 211

7�11 Forced Commutation is of Two Types ��������������� 215

Student Assignments-1 ........................................... 228

Chapter 8Inverters ������������������������������������������������������������230 8�1 1-Phase Half Bridge Inverters������������������������������� 230

8�2 1-Phase Full Bridge Inverter ��������������������������������� 232

8�3 Fourier Analysis of 1-f Inverter Output Voltage �� 237

8�4 3-Phase Bridge Inverter������������������������������������������ 250

8�5 3-Phase 120° Mode VSI ������������������������������������������� 257

8�6 Current Source Inverter (CSI) ������������������������������� 263

Student Assignments-1 ........................................... 265

Chapter 9Resonant Converters ���������������������������������� 268 9�1 Introduction ��������������������������������������������������������������� 268

9�2 Zero-Current-Switching Resonant Converters ���� 270

9�3 L-Type ZCS Resonant Converter �������������������������� 270

9�4 M-Type ZCS Resonance Converter (DC–DC) ��� 272

9�5 Zero-Voltage Switching Resonant Converters

(DC-DC) ������������������������������������������������������������������������ 274

9�6 Comparisons between ZCS and ZVS Resonant

Converters������������������������������������������������������������������� 276

Chapter 10Power Semiconductor Drives .............277 10�1 DC Drives ������������������������������������������������������������������� 277

10�2 AC Drives�������������������������������������������������������������������� 288

10�3 Static Kramer Drive ������������������������������������������������ 290

10�4 Static Scherbius Drive ������������������������������������������� 291

Chapter 11High Frequency Inductors and Transformers ........................................293 11�1 Design of Magnetic Components for Power

Electronics ����������������������������������������������������������������� 293

11�2 Magnetic Material and Cores ����������������������������� 293

11�3 Hysteresis Loss ��������������������������������������������������������� 294

11�4 Skin Effect Limitations ������������������������������������������ 294

11�5 Eddy Current Loss in Laminated Cores ����������� 295

11�6 Coppwer Windings ������������������������������������������������� 295

11�7 Winding Loss Due to DC Resistance of

Windings �������������������������������������������������������������������� 296

11�8 Skin Effect in Copper Windings ������������������������� 296

11�9 Thermal Considerations ��������������������������������������� 297

Chapter 12Switched Mode Power Supply (SMPS) ........ 298

12�1 Switched Mode Power Supply (SMPS) ������������ 298

nnnn

Page 6: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction
Page 7: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction
Page 8: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction
Page 9: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction
Page 10: MADE EASY Publications · PDF file4 1 Thyristor ... Thyristor Commutation Techniques...111 5 1 Introduction