[share_ebook] Lessons In Electric Circuits, Volume II – AC

Description

• Author: Tony R. Kuphaldt
• Publish Date: Sixth Edition, last update July
• Pages: 566

Contents
1 BASIC AC THEORY 1
1.1 What is alternating current (AC)? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 AC waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Measurements of AC magnitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Simple AC circuit calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 AC phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.6 Principles of radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 COMPLEX NUMBERS 27
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Vectors and AC waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Simple vector addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Complex vector addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5 Polar and rectangular notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6 Complex number arithmetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.7 More on AC ”polarity” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8 Some examples with AC circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.9 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 REACTANCE AND IMPEDANCE – INDUCTIVE 57
3.1 AC resistor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 AC inductor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3 Series resistor-inductor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4 Parallel resistor-inductor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5 Inductor quirks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6 More on the “skin effect” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4 REACTANCE AND IMPEDANCE – CAPACITIVE 81
4.1 AC resistor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 AC capacitor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3 Series resistor-capacitor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4 Parallel resistor-capacitor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 Capacitor quirks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 REACTANCE AND IMPEDANCE – R, L, AND C 99
5.1 Review of R, X, and Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Series R, L, and C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 Parallel R, L, and C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4 Series-parallel R, L, and C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.5 Susceptance and Admittance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6 RESONANCE 121
6.1 An electric pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 Simple parallel (tank circuit) resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3 Simple series resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.4 Applications of resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.5 Resonance in series-parallel circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.6 Q and bandwidth of a resonant circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7 MIXED-FREQUENCY AC SIGNALS 153
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.2 Square wave signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3 Other waveshapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.4 More on spectrum analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.5 Circuit effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8 FILTERS 189
8.1 What is a lter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.2 Low-pass lters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.3 High-pass lters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.4 Band-pass lters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.5 Band-stop lters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.6 Resonant lters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.8 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9 TRANSFORMERS 217
9.1 Mutual inductance and basic operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.2 Step-up and step-down transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
9.3 Electrical isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.4 Phasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.5 Winding congurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.6 Voltage regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.7 Special transformers and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.8 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.9 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
10 POLYPHASE AC CIRCUITS 283
10.1 Single-phase power systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.2 Three-phase power systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10.3 Phase rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.4 Polyphase motor design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.5 Three-phase Y and ¢ congurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.6 Three-phase transformer circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
10.7 Harmonics in polyphase power systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
10.8 Harmonic phase sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
10.9 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
11 POWER FACTOR 347
11.1 Power in resistive and reactive AC circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
11.2 True, Reactive, and Apparent power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
11.3 Calculating power factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
11.4 Practical power factor correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
11.5 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
12 AC METERING CIRCUITS 367
12.1 AC voltmeters and ammeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
12.2 Frequency and phase measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
12.3 Power measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
12.4 Power quality measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
12.5 AC bridge circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
12.6 AC instrumentation transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
12.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
13 AC MOTORS 407
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
13.2 Synchronous Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
13.3 Synchronous condenser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
13.4 Reluctance motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
13.5 Stepper motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
13.6 Brushless DC motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
13.7 Tesla polyphase induction motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
13.8 Wound rotor induction motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
13.9 Single-phase induction motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
13.10 Other specialized motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
13.11 Selsyn (synchro) motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
13.12 AC commutator motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14 TRANSMISSION LINES 481
14.1 A 50-ohm cable? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
14.2 Circuits and the speed of light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
14.3 Characteristic impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
14.4 Finite-length transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
14.5 “Long” and “short” transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
14.6 Standing waves and resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
14.7 Impedance transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
14.8 Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
A-1 ABOUT THIS BOOK 535
A-2 CONTRIBUTOR LIST 539
A-3 DESIGN SCIENCE LICENSE 545
INDEX

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