Electric Machinery and Transformers

Electric Machinery and Transformers, Third Edition......Page 1
Front Matter......Page 2
Bibliography......Page 0
Dedication......Page 4
Acknowledgments......Page 5
Table of Contents......Page 6
Preface......Page 12
1. Review of Electric Circuit Theory......Page 16
1.1 Introduction......Page 17
1.2.2 Kirchhoff's Current Law......Page 18
1.2.5 Maximum Power Transfer Theorem......Page 19
1.3 Alternating-Current Circuit Analysis......Page 22
1.3.1 Instantaneous Power......Page 24
1.3.2 Phasor Analysis......Page 25
1.3.4 The Phasor Diagram......Page 28
1.3.5 Power Factor Correction......Page 31
1.4.1 Three-Phase Source......Page 35
1.4.2 Three-Phase Load......Page 38
1.4.3 Delta-to-Y Transformation......Page 39
1.5.1 Power in a Direct-Current Circuit......Page 44
1.5.3 Power in a Single-Phase Circuit......Page 46
1.5.4 Power in a Three-Phase Circuit......Page 49
1.5.5 Two-Wattmeter Method......Page 50
1.5.6 Impedance Measurements......Page 55
Summary......Page 67
Review Questions......Page 68
Problems......Page 70
2. Review of Basic Laws of Electromagnetism......Page 78
2.2 Maxwell's Equations......Page 79
2.2.1 Induced Electromotive Force......Page 81
2.2.2 Ampere's Law......Page 84
2.2.3 Ampere's Force Law......Page 86
2.2.4 Torque on a Current Loop......Page 88
2.3 Magnetic Materials and Their Properties......Page 90
2.3.1 Diamagnetic Materials......Page 91
2.3.2 Parmagnetic Materials......Page 92
2.3.5 Ferromagnetism......Page 93
2.3.6 The Hysteresis Loop......Page 95
2.4 Magnetic Circuits......Page 98
2.4.1 Magnetic Circuit Problems......Page 104
2.5 Self and Mutual Inductances......Page 112
2.5.1 Self Inductance......Page 113
2.5.2 Mutual Inductance......Page 115
2.6.1 Series Connection......Page 119
2.6.2 Parallel Connection......Page 121
2.7.1 Eddy-Current Loss......Page 124
2.7.2 Hysteresis Loss......Page 126
2.8 Permanent Magnets......Page 130
Summary......Page 137
Review Questions......Page 139
Problems......Page 141
3. Principles of Electromechanical Energy Conversion......Page 153
3.1 Introduction......Page 154
3.2 Electric Field as a Medium......Page 155
3.2.2 Case 2. System with Fixed Potential......Page 158
3.3 Magnetic Field as a Medium......Page 161
3.3.1 Case 1. Constant Flux......Page 163
3.3.2 Case 2. Constant Current......Page 164
3.3.3 Magnetic Circuit with Air-Gap......Page 165
3.4.1 Generator Action......Page 171
3.4.2 Multipole Machines......Page 177
3.4.4 Motor Action......Page 181
3.5.1 Revolving Field of a Three-Phase Motor......Page 185
3.5.2 Revolving Field of a Two-Phase Motor......Page 192
3.6 Synchronous Motor......Page 196
3.7 Reluctance Motor......Page 197
3.8 Electromagnetic Relays......Page 201
Summary......Page 205
Review Questions......Page 208
Problems......Page 209
4. Transformers......Page 217
4.1 Introduction......Page 218
4.2 Construction of a Transformer......Page 219
4.3 An Ideal Transformer......Page 220
4.3.2 Transformer Ratings......Page 224
4.4.2 Leakage Fluxes......Page 228
4.4.3 Finite Permeability......Page 232
4.4.4 Phasor Diagram......Page 235
4.4.5 Approximate Equivalent Circuits......Page 237
4.5 Voltage Regulation......Page 240
4.6 Maximum Efficiency Criterion......Page 243
4.7.1 The Open-Circuit Test......Page 247
4.7.2 The Short-Circuit Test......Page 249
4.8 Per-Unit Computations......Page 254
4.9 The Autotransformer......Page 259
4.9.1 A Nonideal Autotransformer......Page 263
4.10 Three-Phase Transformers......Page 268
4.10.2 Delta/Delta Connection......Page 270
4.10.4 Delta/Y Connection......Page 271
4.10.5 Analysis of a Three-Phase Transformer......Page 272
4.11 The Constant-Current Transformer......Page 283
4.12.1 The Current Transformer......Page 285
4.12.2 The Potential Transformer......Page 286
Summary......Page 288
Review Questions......Page 291
Problems......Page 292
5. Direct-Current Generators......Page 299
5.2.1 Stator......Page 300
5.2.2 Field Winding......Page 302
5.2.5 Brushes......Page 303
5.3 Armature Windings......Page 304
5.3.1 Lap Winding......Page 307
5.3.2 Wave Winding......Page 311
5.4 Induced emf Equation......Page 314
5.5 Developed Torque......Page 318
5.6 Magnetization Characteristic of a DC Machine......Page 320
5.7 Theory of Commutation......Page 322
5.8 Armature Reaction......Page 325
5.9 Types of DC Generators......Page 329
5.10 Voltage Regulation......Page 330
5.11.1 Mechanical Losses......Page 331
5.11.3 Rotational Losses......Page 332
5.11.7 Efficiency......Page 333
5.12 A Separately Excited DC Generator......Page 334
5.13 A Shunt Generator......Page 338
5.13.1 The External Characteristic......Page 341
5.14 A Series Generator......Page 345
5.15 Compound Generators......Page 347
5.15.2 Flat or Normal Compound Generator......Page 349
5.15.3 Overcompound Generator......Page 350
5.16 Maximum Efficiency Criterion......Page 353
Summary......Page 356
Review Questions......Page 357
Problems......Page 359
6. Direct-Current Motors......Page 366
6.2 Operation of a DC Motor......Page 367
6.2.1 Starting a DC Motor......Page 369
6.2.2 Armature Reaction......Page 370
6.5 A Series Motor......Page 371
6.6 A Shunt Motor......Page 377
6.7 The Compound Motor......Page 383
6.8.1 Armature Resistance Control......Page 387
6.8.2 Field-Control Method......Page 391
6.9 The Ward-Leonard System......Page 394
6.10.1 Prony Brake Test......Page 397
6.10.2 Dynamometer Method......Page 400
6.11 Braking or Reversing DC Motors......Page 401
6.11.1 Plugging......Page 402
6.11.2 Dynamic Braking......Page 404
6.11.3 Regenerative Braking......Page 405
Summary......Page 407
Review Questions......Page 408
Problems......Page 410
7. Synchronous Generators......Page 417
7.1 Introduction......Page 418
7.2.1 Stator......Page 419
7.3 Armature Windings......Page 420
7.4 Pitch Factor......Page 424
7.5 Distribution Factor......Page 427
7.6 Winding Connections......Page 429
7.7 Induced emf Equation......Page 433
7.8.3 Armature Reaction......Page 437
7.8.5 Voltage Regulation......Page 441
7.9 Power Relationships......Page 444
7.9.1 Approximate Power Relationship......Page 445
7.10.1 The Resistance Test......Page 449
7.10.3 The Short-Circuit Test......Page 450
7.11.2 Lagging Power Factor......Page 455
7.11.3 Leading Power Factor......Page 458
7.12 Salient-Pole Synchronous Generator......Page 460
7.13 Parallel Operation of Synchronous Generators......Page 467
7.13.2 The V Curves......Page 471
7.13.3 Parallel Operation of Two Synchronous Generators......Page 473
Summary......Page 475
Review Questions......Page 478
Problems......Page 479
8. Synchronous Motors......Page 485
8.2 Construction and Operation of a Synchronous Motor......Page 486
8.3.1 Round-Rotor Synchronous Motor......Page 490
8.3.2 Salient-Pole Synchronous Motor......Page 493
8.4.1 Round-Rotor Synchronous Motor......Page 497
8.4.2 Salient-Pole Synchronous Motor......Page 499
8.5 Exact Condition for Maximum Power......Page 504
8.6.1 No-Load Condition......Page 508
8.6.2 Load Condition......Page 509
8.6.3 V Curves......Page 510
8.7 Power Factor Correction......Page 513
Summary......Page 516
Review Questions......Page 517
Problems......Page 519
9. Polyphase Induction Motors......Page 523
9.2 Construction......Page 524
9.2.2 Rotor......Page 525
9.3 Principle of Operation......Page 526
9.4 Development of an Equivalent Circuit......Page 529
9.4.1 Power Relations......Page 532
9.4.2 Speed-Torque Characteristic......Page 534
9.5 An Approximate Equivalent Circuit......Page 538
9.6 Maximum Power Criterion......Page 541
9.7 Maximum Torque Criterion......Page 543
9.7.1 Further Approximations......Page 545
9.9.1 The Torque Developed......Page 548
9.9.3 The Motor Efficiency......Page 549
9.10.1 The Stator-Resistance Test......Page 551
9.10.2 The Blocked-Rotor Test......Page 552
9.10.3 The No-Load Test......Page 553
9.10.4 The Load Test......Page 555
9.11 Starting of Induction Motors......Page 557
9.12 Rotor Impedance Transformation......Page 562
9.13 Speed Control of Induction Motors......Page 565
9.13.2 Changing Stator Poles......Page 566
9.13.5 Injecting an emf in the Rotor Circuit......Page 567
9.14.3 Class C Motors......Page 569
Summary......Page 570
Review Questions......Page 575
Problems......Page 576
10. Single-Phase Motors......Page 580
10.2 Single-Phase Induction Motor......Page 581
10.2.1 Double Revolving-Field Theory......Page 583
10.3 Analysis of a Single-Phase Induction Motor......Page 587
10.4.1 Split-Phase Motor......Page 593
10.4.2 Capacitor-Start Motor......Page 594
10.4.3 Capacitor-Start Capacitor-Run Motor......Page 595
10.4.4 Permanent Split-Capacitor Motor......Page 597
10.5 Analysis of a Single-Phase Motor Using Both Windings......Page 598
10.6 Testing Single-Phase Motors......Page 607
10.6.1 Blocked-Rotor Test......Page 608
10.6.2 No-Load Test with Auxiliary Winding Open......Page 610
10.7 Shaded-Pole Motor......Page 613
10.7.1 Principle of Operation......Page 614
10.8.1 Principle of Operation......Page 617
10.8.2 Design Considerations......Page 618
Summary......Page 622
Review Questions......Page 623
Problems......Page 624
11. Dynamics of Electric Machines......Page 629
11.1 Introduction......Page 630
11.2 DC Machine Dynamics......Page 631
11.2.1 Armature-Controlled DC Motors......Page 632
11.2.2 Laplace Transformation Method......Page 633
11.2.3 Field-Controlled DC Motors......Page 641
11.2.4 Dynamics of DC Generators......Page 647
11.2.6 Fourth-Order Runge-Kutta Algorithm......Page 651
11.3.1 Electrical Transients......Page 655
11.3.2 Mechanical Transients......Page 662
11.3.3 Equal-Area Criterion......Page 664
Summary......Page 668
Review Questions......Page 669
Problems......Page 670
12. Special-Purpose Electric Machines......Page 673
12.2 Permanent-Magnet Motors......Page 674
12.3.1 Variable-Reluctance Step Motors......Page 681
12.3.2 Permanent-Magnet Step Motors......Page 685
12.3.4 Torque-Speed Characteristic......Page 687
12.4 Switched-Reluctance Motors......Page 688
12.5 Brushless DC Motors......Page 690
12.6 Hysteresis Motors......Page 691
12.7 Linear Induction Motors......Page 693
Summary......Page 699
Problems......Page 700
A.1 System of Units......Page 702
B.1 The Laplace Transform......Page 705
Bibliography......Page 707
A......Page 708
B......Page 709
C......Page 710
D......Page 712
E......Page 716
F......Page 718
I......Page 720
L......Page 723
M......Page 724
N......Page 726
P......Page 727
R......Page 730
S......Page 731
T......Page 736
W......Page 739
Y......Page 741