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微机励磁调节器
第一部分导言
第一部分导言
一、概述
随着微电子技术及单片微机技术的迅猛发展,将微机技术用于电力系统自动化是电力行业发展的必然趋势,而微机励磁装置的应用也已走向普及。
根据用户多方面的反馈信息并结合新的研究成果我公司又推出新型HWJT-08C型微机励磁系统,功能进一步加强,适用更加广泛,可靠性更高,使用更方便。
该系统既可与可控硅功率单元配套,亦可与开关式功率单元配套,满足各种交、直流励磁系统的要求。
HWJT-08C型微机励磁调节器是以Intel公司高端十六位单片微机为控制核心,并辅以专用超大规模集成电路构成一个完整的控制系统。
功率控制采用先进的功率器件,它不仅包含了常规调节器的全部调节控制功能,还具有常规调节器所不具备的保护和容错等功能。
调节器采用高度集成的单片微控制器:
所有的模拟量采样、开关量输入/输出及功率部分的驱动信号均由芯片内部完成;从而具备了较高的抗干扰性和电磁兼容性。
与其它单板型微机励磁调节器相比,具有硬件电路少,软件简捷,功能齐全,通用性更强,可靠性更高及使用寿命更长等优点,适用于各种方式的励磁系统。
本项成果已正式通过鉴定,意见如下:
1.该励磁调节器是采用单片微机为核心,软件设计可使其直接产生单路或多路控制脉冲及方波,硬件部分大大简化。
2.采用模块化软件结构,参数直观显示、在线修改,调试方便,运行维护简单。
3.控制方面功能更强,性能更优,抗干扰性能更好,可靠性更高。
4.具有数据通讯功能,能够灵活的与电厂的计算机监控系统及其它自动化设备接口。
5.技术性能满足DL/T650-1998—《大型汽轮发电机自并激静止励磁系统技术条件》、DL/T583-1995—《大中型水轮发电机静止整流励磁系统技术条件》及GB/T7409.3-1997—《同步电机励磁系统》的技术要求,主要性能指标如发电机调压精度、10%阶跃的动态性能等优于行标、国标规定。
结论:
以单片机为核心的HWJT-08C型励磁调节器的研制是成功的,属国内首创。
在性能价格比、抗干扰能力等方面优于其它微机励磁调节器,处于国内领先水平,建议推广采用。
随着电力电子技术和工艺的发展,各种新型大功率电子器件不断推出并在实际生产中的应用普及。
继SCR(可控硅)、GTR(巨型晶体管)之后,又推出IGBT(IsolatedGateBipolarTransistor)新型功率开关器件。
IGBT具有功率场效应管(PowerMOSfET)高输入阻抗,驱动简单和巨型晶体管(GTR)低通态电阻的特点,是目前较理想的功率开关器件。
我公司在八十年代末生产的各类励磁系统的功率部分除沿用SCR(可控硅)器件外,还在国内率先研制并使用中小功率器件GTR(巨型晶体管)作为开关控制功率单元应用到直流励磁系统中。
在九十年代初经过技术攻关,将大功率器件IGBT(绝缘栅双极性晶体管)作为可控功率开关取代GTR,首次在励磁系统中投入应用。
92年开发出能够满足中频三机励磁系统的开关式励磁功率系统,开创交流励磁系统的新领域。
设备在多家10万、20万kW机组投入运行,工作情况良好,电厂反应良好。
随着大电流高电压的IGBT的出现,我公司又研制并投运成功了开关式自并激励磁系统,该系统具有独特的动静态品质特性,功能及各项指标均符合国家及电力行业颁布的有关技术标准规定,其设计思想先进,可靠性高、运行稳定、故障率低、电路结构简单、检修方便、维护量少,用户反映良好,适用于各种容量的发电机组,属全国首创。
利用IGBT设计的可控功率单元与传统的SCR(可控硅)功率单元相比,功率控制环节简单可靠,功率控制器件大大减少,使整个功率回路大大简化,提高设备的可靠性,维护方便。
上述各系统都在电厂取得了满意的使用效果。
二、主要特点
HWJT-08C型微机励磁调节器的最大特点是结构简单,以Intel公司16位单片机为核心,辅以外围接口芯片。
单片机是当今微机技术与微电子技术高速发展的产物,一片CPU芯片集成了数十万只晶体管构成的若干单元电路,使其具有极其丰富的硬件及软件资源。
高速输入、高速输出、A/D转换等集成功能大大简化了控制系统电路,提高控制系统的可靠性;寄存器到寄存器的运算架构,提高运算速度,使其运算速度达到每秒100万次。
在设计HWJT-08C的主控电路时,我们充分利用单片机的一些独特之处,使得这样一块小小芯片能充分、合理的控制一套复杂的励磁系统。
运行经验表明,它功能完善、性能可靠,是励磁控制领域又一次重大地进步。
三、适用范围
HWJT-08C系列微机励磁调节器具有很强的适应性及通用性,可应用在330MW及以下的各类同步发电机组上。
励磁系统包括:
1.直流励磁机系统:
输入直流电压:
30V~300V
输出电流:
5A~100A
2.三机励磁系统:
输入电压:
90V~130V
输入频率:
50Hz~500Hz
输出电流:
50A~300A
3.两机交流励磁机系统:
输入电压:
50V~500V
输入频率:
50Hz~500Hz
输出电流:
50A~500A
4.自并激励磁系统:
输入电压:
50V~1000V
输出电流:
300A~3000A
四、基本功能
发电机恒端电压运行方式
发电机恒励磁电流运行方式
空载过压保护
强励顶值限制
过励反时限限制
低励限制
励磁/仪表电压互感器断线检测及保护
V/F限制,低频保护
正负调差率可以选择
开机电压自动置位,关机电压自动清零
PID及PI控制调节,附加PSS调节、可变参数自适应调节(可选)
与其它自动化仪器仪表及计算机监控系统的通信接口
数码显示屏,在线显示多种参量
脉冲输出双层隔离,面板测量及指示
电源、硬件、软件故障信号以及其它各种故障信号输出
在线修改控制参数
按键软件防误操作闭锁
全部参数均用十进制数字显示
双套电源供电、面板测量及指示状态信号显示
掉电数据保护
一键开机功能
五、技术数据
1.机端电压UF:
电压互感器付边额定值100V或105V
2.定子电流测量IF:
额定值5A输入
3.转子电流测量IL:
霍尔电流传感器测量
4.输出脉冲:
50Hz~500Hz可控硅触发脉冲(可控硅励磁系统)
输出脉冲:
50HZ~300HZ占空比可变矩形波(IGBT励磁系统)
5.励磁电流输出范围:
50~3000A
6.励磁电压输出范围:
50V~1000V(可控硅励磁系统)
7.交直流并联供电:
交流输入220V+10%,-20%
直流输入220V+5%,-15%
六、主要技术指标
1.脉冲调节范围:
10~130(可控硅励磁系统)
矩形波占空比可变范围:
0%~100%
2.脉宽调节精度:
优于0.018(50Hz可控硅励磁系统),0.18(500Hz系统)
矩形波脉宽调节精度:
优于0.01%
3.A/D转换分辨率:
优于2-10
4.计算调节速度:
>300次/秒
5.调压范围:
10%~120%Ue(手动时0%~130%Ue)
6.调压精度:
优于0.5%
7.具有调差特性:
±10%可设定,步长0.1%
8.频率特性:
频率变化1%,机端电压变化小于额定的±0.1%
9.超调量:
小于10%;振荡次数:
小于1.5次;调节时间:
小于5秒
10.给定调节速度:
不高于1%每秒,不低于0.1%每秒
11.功率消耗:
小于50W
七、使用条件
1.海拔高度不超过2000米
2.环境温度不高于摄氏40度,不低于摄氏0度
3.相对湿度不大于90%
4.没有火灾及爆炸危险的场所
5.无导电尘埃及化学腐蚀气体的场所
6.垂直倾斜度不超过10度
第二部分原理
一、励磁系统
励磁系统由控制部分和功率部分构成。
控制部分由双套(或单套)HWJT-08C微机励磁调节器及各种信号输入、输出转换控制环节构成;
1.可控硅功率系统
功率部分主要由三相桥式可控硅组成,对于自并激静止励磁系统,则由一台微机励磁调节器箱及可控硅功率部分组成一个励磁调控柜,也可由可控硅单独功率柜组成,(根据励磁电流大小增加功率柜并联数量)。
对于三机励磁系统及两机交流励磁机系统,可将控制部分和功率部分装在一个柜体内,组成一个标准励磁控制柜。
该系统也可配灭磁柜。
由单柜组成的发电机励磁控制装置,系统包括机端励磁变压器、励磁调节器、可控硅功率单元、灭磁部分组成。
2.IGBT功率系统
功率部分由三相不控整流单元(直流励磁机系统无此)、一组或多组IGBT开关控制单元及相应滤波和保护回路构成。
在三机励磁系统中(或两机一变励磁系统),功率部分是一组三相整流桥和一只或数只IGBT开关管,它与微机励磁调节器合装在一个柜中,10万千瓦以上机组一般都采用双柜并联热备用运行方式,进一步提高了可靠性。
对于自并激静止励磁系统,则由两台微机励磁调节器机箱组成一个励磁调节器柜,另外由三相全桥整流桥加IGBT功率开关管构成功率柜,功率柜的数量视发电机励磁电流大小而定
3.灭磁系统
灭磁及转子过电压保护装置是由氧化锌压敏电阻组件和专用快速直流开关组成,具有操作简便,灭磁速度快,开关容量大,过电压保护水平可控等独特优点,适用于大中型发电机组的灭磁及转子过电压保护。
发电机组灭磁的主要技术要求是:
在保证断流灭磁中转子电压不超过绝缘长期安全稳定运行允许值的条件下,灭磁时间近可能短。
灭磁及过电压保护系统可以由多种类型的磁场断路器、灭磁用的电阻组成;主要组成方式为单断口灭磁开关构成的灭磁装置、双断口灭磁开关构成的灭磁装置按灭磁方式分为线性灭磁装置、非线性灭磁装置无触点灭磁装置,每种组成都能满足与国内发电机组配套的需要。
灭磁及过电压保护系统组装灵活,根据机组灭磁容量的大小,可以和调节部分功率部分组成整屏,也可单独组装成柜。
整个发电机励磁系统也是由励磁调节器、功率、灭磁及其它单元组成。
二、硬件控制电路
HWJT-08C型微机励磁调节器的控制回路由主控电路、键盘显示电路、测量电路、同步电路、开关量输入电路、脉冲输出电路、信号输出电路、电源等部分组成。
由于全部采用了进口大规模或超大规模集成电路芯片,及其它工业级器件,可靠性得到保证。
由于硬件极其简单,给调试及维护带来极大的方便。
另外输入、输出信号经过多重全隔离,采用了高质量的双套开关电源电路,又采取了有效的抗干扰措施以及严格的制造工艺,使得本装置不仅有很高的可靠性,而且性能优良。
(1)主控电路
由80C196单片微机、PSD外围可编程控制器器件、硬件看门狗电路及少量的外围数字电路组成。
(2)测量电路
发电机机端励磁专用PT及仪表检测PT两路反映机端电压的模拟量经变压器降压隔离、有源精密整流后,再经运放缓冲电路进入单片机的A/D转换器;系统电压以同样方式处理后进入单片机;以霍尔传感器送来的反映发电机励磁电压、电流的信号(电压或电流)经运放缓冲电路进入单片机;利用专用的电路测量发电机输出的有功功率及无功功率同样经运放缓冲电路后进入单片机。
(3)同步电路
来自励磁变压器副边的三相电压经同步变压器隔离、降压、滤波后,由比较电路、微分电路及非门电路得到六相同步脉冲信号,进入单片机的高速中断输入口,作为晶闸管触发控制的同步信号。
(4)脉冲输出电路
由80C196的高速输出口HSO输出六路单脉冲,经光电隔离,功率放大,组合成六路双脉冲,再经由脉冲变压器隔离,接至可控硅。
IGBT调宽脉冲由CPU的高速输出口HSO输出单相脉宽调制矩形波,经光电隔离、功率放大输出,可以直接驱动小型IGBT等功率器件。
(5)显示电路
该电路由专用的显示控制器直接驱动六位LED数字显示器;如果采用的是LCD液晶显示器,显示控制通过专用控制芯片完成,用于调节器工作参数的显示;四个红色发光二极管指示调节器的工作电源。
(6)开关量输入电路
输入开关量均经光电隔离,再进入PSD的输入口。
八路开关量分别是:
增加励磁接点、减少励磁接点、排除强励接点、手动接点、并网信号接点、灭磁接点、关机接点、开机接点。
面板上有四个按键开关作增、减操作及参数整定用,八位拨码开关反映调节器输入的八路开关量信号。
(7)信号输出电路
由PSD的输出口输出调节器的异常工作状态,分别是:
过励、低励、低频、断线、过励保护,此五个信号送至面板显示;异常、过励保护、以及起励、起励失败、风机起动,均由输出继电器送出。
(8)开关电源电路
交、直流220V经隔离并联后同时引入开关电源输入端,其输出四路电压,分别是:
+5V、10A;+12V、1A;-12V、1A;+24V、1A,其中24V独立于其它三路,用作脉冲功放电源。
此设计方式充分考虑了设备工作的基础――供电电源的可靠性和冗余度,为整个设备的正常工作提供坚实的基础。
输入:
DC220V±20%;AC220V,-20%~+15%
输出:
+5V、±12V、+24V;24V与其它三路电源电气隔离
三、控制软件
控制软件采用科学的结构化设计,具下述特点:
1.简化主系统的工作程序,提高运行速度,提高系统的可靠性。
2.软件独立性,简单性
对问题、任务进行分解,使各个子任务之间最大限度地无关,而同一个子任务的内容紧密相关。
各个子模块高的独立性、强的内聚性能够提高效率,简化模块间的接口,提高可靠性。
3.每个模块程序尽量简洁。
4.单入口、单出口
每个模块只有一个入口,一个出口,不允许从模块外跳入模块内,也不允许从模块内跳出模块外。
每个模块只能调用、返回,从而保证程序的严密性和程序流向的清晰性。
5.作用域原则,提高了软件的抗干扰能力。
每个变量、标志都有其作用范围。
6.流水线原则
模块可以看成一个输入、处理、输出的过程,即模块的IPO(InputProcessOutput)格式。
对于顺序连接的模块,尽可能的做到前一模块的输出直接作为下一个模块的输入,避免进行额外转换,就如流水线上的各道工序的衔接,从而提高效率和可靠性。
程序包含各功能子模块程序:
显示、给定调节、开关量保护判断、采集、功率计算、自动PID、手动PID、低励PID、控制方式选择、手动跟踪自动、自动跟踪手动、PSS、恒无功等、键盘处理子程序、高速输入中断、高速输出中断等。
主程序原理流程图如图1所示。
图1
四、功率部分介绍
1.可控硅功率单元
下图2是可控硅功率部分一次回路原理图
图2
1.1主回路
图中KP1~KP6构成了三相可控硅整流桥式电路,三相交流电源通过QS刀闸输入,直流输出电压的大小通过自动励磁调节器调节可控硅的导通而变化。
1.2保护回路
整流元件承受过电流及过电压的能力较差,为了使元件及设备的安全运行,必须采取一定的保护措施。
过电流保护:
短路保护装置,采用快速熔断器,如图2中的RD1~RD6。
快速熔断器还配置有快速熔断指示器,当熔体熔断时,可以发出熔断指示并点亮相应的信号灯。
过电压保护:
图2所示,YMA~YMC及YMR主要用于吸收交流侧及直流侧的过电压。
R1C1~R6C6构成了元件上的过电压吸收电路。
1.3信号回路
a交流侧开关和直流侧开关断开时,装置现地指示并同时将信号发至中控室及相关控制系统,以便配合励磁调节器排强回路动作。
b当熔断器熔断时,现地指示并同时将“熔断”信号发至中控室、励磁调节器。
c当风机出现异常时,装置将风机异常情况发至中控室。
d直流侧设有直流输出电压表和直流输出电流表(现地、远方)。
1.4风机回路
当采用强迫风冷时,装置采用一台或两台低噪音轴流风机,电源取至整流装置中经过调压隔离的交流电源和厂用交流电源(共两路)。
工作时一般使用整流电源,当其发生故障时,自动切换至厂用电,以保证风机电源的供电。
2.IGBT功率系统
2.1功率单元的组成和原理
IGBT器件结合了双极性晶体管的功率特性和场效应管控制简单的优点,自九十年代以来在工业和国防领域应用广泛。
将其应用于励磁领域可使功率部分简化,也消除了SCR晶闸管可控整流方式的一些弊病。
使系统的经济性和可靠性得到了提高。
功率单元主要由两部分组成:
整流装置和功率开关。
前者将交流励磁电源变换为直流电源,后者受控于调节器,调节功率开关的闭合时间即可控制励磁电流的大小。
也就是说,调整功率管的导通时间即可对发电机的励磁输入功率进行控制。
原理如图3
图3
图3中ABC为励磁三相电源,LQ为转子绕组,当QS闭合后,三相交流励磁电源通过D1~D6三相整流,得到直流电压Ue,当IGBT导通时,Ue加到绕组LQ上,使LQ中电流增加;当IGBT截止时,通过D7导通给LQ续流。
设整流后的直流电压为Ue,IGBT导通时间为Ton,导通时Ue加到转子两端,IGBT截止时间为Toff,截止时,转子电压等于续流二极管D7管压降,忽略为零。
励磁绕组励磁电压波型如下图4所示。
图4
从图中可知励磁电压的平均值为:
,
为占空比,
由此可见,我们根据发电机机端电压、转子电流或无功负荷等因素的变化改变D,亦即改变IGBT驱动方波的占空比,即可改变励磁绕组两端的电压,从而达到调节发电机输出电压、无功的目的。
2.2IGBT的驱动
大功率IGBT开关式励磁装置采用专用驱动模块控制,它的原理框图如下图5所示:
图5
VCC、VEE为供电电源,光耦OP1提供控制电路和IGBT的隔离。
Dz为稳压管,在IGBT截止时提供反向偏压。
当有导通控制信号时,光耦OP1导通,通过放大器A使输出三极管T1导通、T2截止,VCC通过T1输出到IGBT的栅极G,使IGBT栅极正向偏置,IGBT导通。
当无导通控制信号时,OP1不通,放大器A使T1截止、T2导通,稳压管Dz上的电压通过T2使IGBT栅极电压为负向偏置,保证IGBT可靠截止。
当IGBT过电流时,过流保护动作,关闭放大器A,使IGBT栅极电压为负向偏置,起到保护作用。
2.3IGBT自并激开关励磁和可控硅励磁的比较
a开关励磁驱动简单
在可控硅励磁中,需要提供六组驱动电路和脉冲变压器;而IGBT只需要提供一个驱动信号,且由于IGBT是电压型控制器件,驱动功率很小,很容易利用光电耦合器实现高电压隔离。
bIGBT开关励磁同步简单
在可控硅励磁系统中,输出电压和可控硅的控制角α直接相关,而交流同步信号输入的失真较严重,为了得到准确的同步过零触发信号,必须对交流同步信号进行较复杂的处理。
在IGBT的励磁系统中,输出与IGBT的导通占空比D有关,而占空比D和交流电源的相对时间关系对装置的输出无大的影响,故不需要设计太复杂的同步电路。
cIGBT开关励磁控制简单
在可控硅励磁中,输入、输出及控制角α的关系为:
ULL=1.35UIN×COSα,为了提高系统的线性度和稳定性,可控硅触发脉冲的产生需要进行余弦补偿,增加了控制系统的复杂性。
在IGBT开关励磁中,输入、输出及占空比的关系为:
ULL=1.35UIN×D,因而系统具有很好的线性度和稳定性,降低了控制的复杂性。
d开关励磁可以大大减小励磁变压器容量,降低成本
在可控硅励磁中,转子绕组续流电流流经可控硅和励磁变压器线圈。
而在IGBT开关励磁中,转子绕组只经续流二极管续流,续流电流不经过励磁变压器线圈,因而励磁变压器的容量设计可减小30%以上。
五、灭磁及过电压保护装置
1.灭磁及过电压保护系统组成
灭磁及转子过电压保护装置有以下几种方式,一种是由氧化锌压敏电阻组件组成的非线性灭磁方式及转子过电压保护装置,一种是由线性电阻组成的线性灭磁及转子过电压保护装置,还有通过电力电子器件实现的无触点灭磁装置及转子过电压保护系统。
2.灭磁及转子过电压保护装置的工作原理
2.1非线性灭磁方式及转子过电压保护装置
灭磁及转子过电压保护装置的原理接线图如图6所示。
FMK为灭磁开关主触头。
无感电阻(R)和压敏电阻(YMR)组成压敏电阻组件,直接并接在转子两端。
另一组压敏电阻在励磁电源侧对电源起保护作用。
一般取额定转子电压UfN0.25×U10mA,U10mA为每串压敏电阻转折电压值:
U10mA=U10mA(R1)+···+U10mA(Rn)
在正常工作时,由于转子电压较低,通过压敏电阻的电流为泄漏电流,其大小在数十或百微安,对转子工况不产生任何影响。
而且其老化速度也是及其缓慢的。
一旦过电压袭来,压敏电阻立即工作在大电流区内,过电压被限制和吸收。
压敏电阻是并联在转子两端,而氧化锌电阻片又是几乎没有延时的响应,不存在伏秒特性的配合问题,所以对转子保护十分可靠。
图6灭磁及过压保护原理接线图
当需要灭磁时,指令FMK分断,由于FMK能实现快速建压并灭磁,很快切开转子与励磁电源的联系。
转子作为一个大电感,di/dt迅速上升,超过压敏电阻组件的转折电压时,压敏电阻导通呈低阻状态,转子电流从FMK转移到压敏电阻,换流完成。
转子能量通过压敏电阻释放,实现灭磁。
在灭磁过程中,压敏电阻两端电压(亦即转子电压)几乎为一衡定值,灭磁过程接近于理想灭磁。
实例的灭磁过程如图7所示。
图7实测灭磁时转子电压波形图(S=50MW,Ifn=600A)
由图中可以看出,从开关断开到完全建压仅需数毫秒,完成全部灭磁时间约为400ms。
任何两片压敏电阻的外特性是不可能完全一致的。
这样直接并联的两片压敏电阻在大电流下,所吸收的能量是不可能一致的。
从图8所示,#1和#2片在相同电压流过的电流相差很大。
图8两片压敏电阻外特性
在几十甚至数百片压敏电阻组合在一起时,均能问题就变得非常重要。
目前通过各种完善的检测手段可得到每片压敏电阻的外特性,然后将这些数据输入计算机,在大量的阀片中筛选出外特性基本一致,尤其在大电流区域,外特性相差极小的若干组压敏电阻组件来。
这样组成的灭磁及过压保护装置均能系数可高达0.9。
另外HMC系列还采用无感线性电阻与压敏电阻组件串联,均流、均能效果更佳。
如图9所示,串上无感电组后,其均流效果明显。
在极端情况下,即使某一组压敏电阻损坏,串联在这组压敏电阻上的线性电组会迅速烧断而使这组损坏的压敏电阻切除。
线性电阻又具有熔断器功用。
图9压敏电阻串线性电阻的外特性
对于灭磁电阻(非线性)均能方式问题,我们不主张采用熔断器方式,原因如下:
1)线性电阻均能效果较熔断器要佳;
2)线性电阻在能量不均衡时其烧断时间较熔断器要长,因而不会发生“爆竹效应”。
2.2线性灭磁方式及转子过电压保护装置
鉴于非线性电阻参数的分散性及非线性电阻寿命上的限制,加上汽轮发电机组不可能实现快速灭磁,在汽轮发电机组上及国外部分生产的灭磁装置多采用线性电阻灭磁方式,该方式与非线性电阻灭磁的接线方式基本相同,灭磁开关多采用辅助常闭接点将线性电阻接入。
线性电阻灭磁的典型接线如图10所示。
图10HMC-01双断口线性灭磁及转子过压保护原理接线
2.3无触点灭磁及转子过电压保护装置
随着电力电子技术的发展,新出现了一大批大功率、高耐压的新型电力电子器件,将该类新型器件用于励磁主回路已成为现实。
武汉洪山电工科技有限公司继开发出基于GTR、IGBT的新型励磁调节装置后,现正在将新型电力电子器件IGBT及IGCT应用于发电机灭磁及转子过电压保护领域,其构成思路类似于早期广泛采用的跨接器方式。
图11、图12为新型灭磁装置的原理示意图。
图11HMC-02线性灭磁及转子过压保护原理接线
图12HMC-02非线性灭磁及转子过压保护原理接线
3.灭磁及转子过电压保护装置的技术规范及常用整定计算方法
3.1《大型汽轮发电机自并激静止励磁系统技术条件》关于灭磁装置和转子过电压保护的相关技术要求:
1)发电机灭磁应采用逆变和开
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- 微机 调节器