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全功率变流器试卷及答案

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、选择题（每题3分，共15分。请将正确选项的字母填在题后括号内）

1.全功率变流器通常指功率等级较高、用于交流与交流之间或直流与直流之间进行功率转换的变换器，其主要拓扑结构不包括以下哪一项？

A.电压源型变流器(VSC)

B.电流源型变流器(ISC)

C.单相全波整流电路

D.模块化多电平变换器(MMC)

2.与两电平变流器相比，三电平变流器的主要优点之一是？

A.输出电压波形更接近正弦波，谐波含量更低

B.所需开关器件数量更少

C.功率因数校正能力更强

D.控制电路更简单

3.在全功率变流器中，IGBT模块通常需要设置软启动电路，其主要目的是？

A.缩短开关管的导通时间

B.减少系统的输出电压

C.防止在直流母线电压较高时，合闸瞬间产生过大的冲击电流，损坏器件

D.提高开关管的开关频率

4.在电压源型全功率变流器（VSC）中，输出电压的幅值主要由什么决定？

A.输入交流电压的有效值

B.直流母线电压

C.开关管的导通时间

D.输出负载的大小

5.对于需要输出电压波形纯净、谐波含量极低的场合，以下哪种变流器拓扑结构相对更适用？

A.单相全波可控整流电路

B.两电平电压源型变流器

C.三电平电压源型变流器

D.单相H桥逆变电路

二、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）

1.简述电压源型全功率变流器（VSC）与电流源型全功率变流器（ISC）在输出电压控制方式上的主要区别。

2.MMC（模块化多电平变换器）中子模块通常采用什么类型的器件进行电压平衡控制？简要说明其工作原理。

3.全功率变流器中滤波电感的主要作用是什么？它会带来哪些主要的功率损耗？

4.简述全功率变流器中开关管过流保护通常采用哪种检测方法，并说明其基本原理。

三、计算题（共30分）

1.（10分）一个两电平电压源型全功率变流器，直流母线电压为1000V，负载为阻感负载（R=10Ω,L=100mH），采用理想化PWM控制，开关频率为10kHz。假设变流器工作在整流状态，输出电流为i_o(t)=10sin(2π50t)A。请计算在理想情况下，流过开关管S1（假设在电感电流连续时）的瞬时电流i_g1(t)和电压v_g1(t)的表达式（以直流母线中点为参考点）。

2.（10分）某三电平电压源型全功率变流器，直流母线电压为800V（每个子模块电容电压为400V），输出电压波形（线电压）为频率50Hz、幅值380V的近似正弦波。请估算输出电压波形中第5次谐波和第7次谐波的幅值占基波幅值的百分比。（假设采用SPWM调制，且调制比m=1）

3.（10分）一个全功率变流器中的滤波电感L=50mH，流过电感的电流i_L(t)从0线性增加至10A，历时0.1s。假设电感绕组电阻r_L=0.5Ω。请计算在此过程中，电感产生的铜损是多少？假设此时开关管的导通占空比为50%，开关频率为20kHz，请估算一个开关周期内该开关管的平均损耗。（忽略开关损耗和其他损耗）

四、分析题（共35分）

1.（15分）分析MMC（模块化多电平变换器）在直流母线电压不平衡或发生故障（如直流短路）时可能出现的现象，并简述通常采用哪些保护措施来应对这些情况。

2.（20分）比较矢量控制（FOC）和SPWM控制在全功率变流器（如电动汽车驱动系统）中的应用。分析这两种控制策略在动态响应速度、稳态精度、转矩/电压限制、谐波特性等方面的优缺点，并说明选择哪种控制策略通常取决于哪些因素。

试卷答案

一、选择题

1.C

2.A

3.C

4.B

5.C

解析：

1.选项C描述的是单相全波整流电路，属于直流-直流或直流-交流转换，但通常功率等级较低，不属于典型的全功率变流器范畴。其他选项均为常见的全功率变流器拓扑。

2.三电平变流器输出电压电平数增加，输出电压波形更接近正弦波，谐波含量显著降低是其主要优点。选项A正确。选项B、C、D描述不准确。

3.IGBT模块软启动是为了在直流母线电压较高时合闸，避免因电感瞬间充电产生过大的冲击电流，可能损坏IGBT模块。选项C正确。

4.电压源型变流器输出电压的幅值主要受直流母线电压的控制。选项B正确。

5.三电平变流器输出电压波形更接近正弦，谐波含量更低。选项C相对更适用。

二、简答题

1.解析思路：区分VSC和ISC的电压/电流控制变量。

答：VSC主要通过控制输出交流电压