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节能型电子镇流器的研究与开发
摘要
能源、环保是当今世界关注的焦点,节能成为解决问题的重要一环。
绿色照明包含高效节能、环保、安全、舒适等4项指标。
其中,高效节能意味着以消耗较少的电能获得足够的照明,从而明显减少电厂大气污染物的排放,达到环保的目的。
高压钠灯(HPSL)是高气压放电(HID)灯的代表性产品,光效高、耗电少、使用寿命长,应用广泛。
本文对HPSL电子镇流器的实现进行了研究和分析,提出了实现电路,该电路实现简单,结构紧凑,便于元器件参数的选配及工艺调试。
关键词绿色照明高气压放电(HID)灯高压钠灯(HPSL)电子镇流器
目录
第1章绪论1
1.1“绿色照明”的提出及其含义1
1.2中国的“绿色照明”工程1
第2章高气压放电(HID)灯电子镇流器3
2.1HID灯对电子镇流器的特殊要求3
2.2HID灯电子镇流器的基本电路4
第3章高压钠灯电子镇流器7
3.1高压钠灯与电子镇流器7
3.2高压钠灯对电子镇流器的要求8
3.3250W高压钠灯电子镇流器设计方案8
第4章高压钠灯电子镇流器设计实现10
4.1原理框图10
4.2实现电路10
4.3高压钠灯电子镇流器主要性能指标17
第5章结论18
参考文献19
附录电子镇流器专业术语20
第1章绪论
1.1“绿色照明”的提出及其含义
“绿色照明”是20世纪90年代初出现的新概念,是对采用节约能源和保护环境的照明器具的形象性说法。
1991年,美国环保局(EPA)提出了一项提高照明用电效率、节约电力、减少环境污染的行动计划,被命名为“绿色照明”计划。
其主要做法是以政府与私营企业签订自愿协议的方式,在所有有成本效益的地方采用高效节能照明器具替代传统的低效能照明器具,并采用科学的照明设计和控制方法,提高照明用电效率和照明质量。
作为一项独具特色的节能行动计划,“绿色照明”在美国取得了前所未有的成功,并很快得到了国际社会的广泛认可和积极响应。
“绿色照明”不仅仅是照明节电的代名词,其内涵还包括环保和健康。
大力发展和推广高效节能照明器具,节约照明用电,可以减少发电产生的SO2、CO2、NO2等废气、尘埃及废渣,有利于建立优质高效、经济舒适、环境可靠、有益环境和改善人们的生活质量、提高工作效率、保护人民身心健康的照明环境,以满足经济各部门和人民群众日益增长的对照明质量、照明环境和减少污染的需要。
“绿色照明”旨在获得一个良好的照明质量和照明环境,创造一个因地制宜并与周围景物、自然环境和谐协调的光照条件,让人们能在舒适的光照和良好的环境下学习、工作和生活。
照明是一门科学,同时又是一种文化和艺术/照明质量和水平,已发展成为社会现代化建设和人类文明进步程度的一个标志。
随着“绿色照明”的蓬勃发展,产生了发展照明的新理念、新概念和新模式。
引发了照明领域的一场新的革命,并在全球范围内产生了巨大的经济效益和社会效益。
2005年5月,中国国际绿色照明暨欧洲效能第六届大会在中国召开。
来自30多个国家和地区的专家、学者共同关注全球绿色照明问题。
从此次会议可以看到,绿色照明已成为世界各国政府和人们的自觉行动,成为全球影响面最大的一项节能行动计划。
1.2中国的“绿色照明”工程
我国于1995年制定了《节约能源法》,于1996年正式启动中国绿色照明工程。
1996~2000年和2001~2005年分别为中国绿色照明工程的第一期工程和第二期工程。
中国绿色照明工程的内容之一是大力推广应用CFL和T8、T12细管径直管荧光灯和电子镇流器。
第一期工程(即“九五”期间)的预期目标是:
在节电方面,推广CFL和细管径直管荧光灯3亿只(支)及其他高效照明器具,形成终端节电220亿千瓦时的能力,削减电网峰荷720万千瓦,相当于少建一个978亿千瓦装机容量的电站,节约电力建设资金490~630亿元;在减少污染方面,以电站节电268亿千瓦时及,减少SO2排放20万吨,减少CO2排放740万吨。
第一期工程为能力建设和起步阶段。
通过第一期工程的实施,基本达到了预期的目标,促进了我国照明电器行业的技术进步,加速了照明电器产品结构的优化,建立健全了高效电光源产品的安全与性能标准。
通过对重点企业的技术改造,提高了绿色照明产品的生产能力。
中国“绿色照明”的第二期工程为规模实施阶段。
2001年,原国家经贸委与UNDP/GEF的“中国绿色照明促进项目”的启动,标志着中国绿色照明工程第二期项目的启动。
第二期工程更加注重促进照明产业的技术进步和产品质量的提高,加强了市场的规范,实施名牌战略,积极开展国际交流与合作。
早在2001年,国产CFL的产量就达7.5亿只,T8型荧光灯达2.1亿只。
目前全球80%以上的CFL都由我国生产。
我国计划在2001~2010年间实现累计照明节电1033亿千瓦时,实现照明节电10%,相当于减少1.4亿吨的CO2排放。
通过实施中国绿色照明工程,强化了人们的节能和环保意识,并取得了显著的社会效益和保护效益。
事实证明,发展“绿色照明”,是节能降耗和保护环境的一项重要举措,是促进人与自然和谐、建设节约型社会和落实科学发展观的战略性措施,是利在当代、造福于子孙的大事。
中国绿色照明工程已渗透到国民经济各个部门和各个行业,深入到各项活动之中。
2008年北京奥运会的宗旨是“科技奥运、绿色奥运、环保奥运和人文奥运”,大力推行绿色照明,在新建体育馆照明设施和工厂、学校、商场、病馆、机关及公用照明设施中,积极采用高效照明系统,并且大力推进城市亮化和景观照明。
城市照明体现了一个城市的形象,代表了一个城市的文化,反映了一个城市的科学管理,象征着一个城市的文明进步和现代化建设。
城市照明的用电量是相当巨大的,随意更应当推行“绿色照明”。
第2章高气压放电(HID)灯电子镇流器
高气压放电(HighintensityDischarge,HID)灯又称高强度放电灯,通过气体电离发光,亮度大约是钨丝灯3倍,并且能节约一半的电力。
HID灯寿命长,有较高的安全性。
由于当蓄电池供电出现问题时,它会延长几秒才熄灭,所以具有一定应急性。
其代表性产品是高压钠灯(HPSL)和金卤灯。
由于HID灯的特性与荧光灯比较有较大的差异,所以荧光灯电子镇流器的设计方案并不适用于HID灯电子镇流器。
2.1HID灯对电子镇流器的特殊要求
与荧光灯电子镇流器相比,HID灯对其电子镇流器主要有以下两个方面的特殊要求:
1.为避免发生“声共振”,HID灯电子镇流器适宜在低频下工作
荧光灯电子镇流器在40kHz左右的高频下工作,而HID灯电子镇流器的工作频率超过10kHz(有的HID灯超过1kHz)时,高强度气体放电就会变得不稳定,这种不稳定现象被称为“声共振”。
一旦HID灯发生“声共振”,灯功率的瞬时变化会导致等离子体温度波动。
由于气体温度与压强的直接关系,温度的波动会引起压强变化,结果压力发生波动,使电弧变形。
由于电弧放电是被束缚在两电极之间的,因此能够产生驻波(与风琴管类似)。
“声共振”的影响是非常强烈且是不可预测的。
在一定的频率上,一个或两个周期足以使电弧熄灭。
另外,电弧形状的变化会改变放电的化学平衡,可以引起灯光色、光强和电气性能的变化。
灯弧光抖动和熄弧,会对灯造成损害。
大多数HID灯在50Hz~10kHz的频率下工作时,可以避免发生“声共振”。
在HID灯电子镇流器设计中,大多将其输出频率设置在100~400Hz的范围内。
若频率低于100Hz,有时易引起灯闪烁。
因此,HID灯电子镇流器通常并不是一种高频电子镇流器,而是一种低频电子镇流器。
2.HID灯电子镇流应提供3~5kV的灯触发电压
HID灯的触发电压一般为3~5kV。
HID灯从触发(点火)到正常工作往往需要经过接续阶段和电压爬高阶段。
在接续阶段,灯电压仅约为其正常工作电压的25%(通常约20V),持续时间约为1ms。
持续电流取决于灯电阻。
如果电流太小或灯电压过低,灯会熄灭,需要重新触发。
在电压爬高阶段,灯电压逐渐升至其额定值(如85V),持续时间约为2min。
为了防止灯熄灭,需要一个相对大一点儿的爬高电流,但该电流不应过大,以防止灯电极熔化。
进入稳态工作后,为避免HID灯两个电极的温度不同,要求用交流电流来驱动。
HID灯在“冷态”(环境温度)下的触发电压一般达3~5kV。
当HID灯在“热态”(即灯在运行中熄灭,灯的温度尚未降低或降低不多的情况)下重新启动时,所需电压幅度往往达25kV甚至30kV。
在这样的电压下,灯在I0ns之内将会击穿。
HID灯电子镇流器需设计专门的触发器电路,为灯启动提供足够高的触发电压。
此外,由于HID灯的应用环境条件比较恶劣(如HPS灯用于道路、机场和码头等户外照明和金卤灯用作汽车前灯等),故要求HID灯电子镇流器应具有非常高的可靠性,能耐高/低温、抗震动,并要求防雨淋和防风沙。
2.2HID灯电子镇流器的基本电路
目前HID灯的驱动电路大多采用全桥(亦称H桥)拓扑结构。
图2-1所示为基于ASIC(如UBA2030)的HID灯全桥变换器电路。
当ASIC驱动VT1和VT4导通时,VT3和VT2截止,此时流过HID灯的电流方向为从左到右;当ASIC驱动VT3和VT2导通,VT1和VT4截止,此时通过HID灯的电流方向为从右到左。
如此周而复始,在HID灯中通过交变电流。
图2-1基于ASIC的HID灯全桥变换器电路
全桥变换器的换向频率可由UBA2030的外部电阻Rosc和电容Cosc来编程。
适当选择Rosc和Cosc值,可将频率设置在100~400Hz的范围之内。
HID灯的启动需要借助于专门设计的触发器电路。
这种触发器电路在结构上与采用电|感镇流器的HID灯电子触发器相类似,其核心部分是升压变压器(或升压线圈)和具有负阻|特性的半导体双向开关或晶间管。
触发器电路是HID灯电子镇流器的核心技术之一,大多受专利保护。
图2-2所示为HPS灯启动电路。
其中,硅双向开关(SIDAC)具有双向对称的V-I特性,
图2-2HPS灯启动电路及硅双向开关的V-I特性
如图2-3所示。
在SIDAC击穿导通时,导通态电流IT约为1A,导通电压降VTM不大于1.5V。
在系统工作后,当电容C2被充电到SIDAC的击穿电压值(约135V)时,SIDAC导通,C2通过L1的NP绕组放电。
电流通过NP绕组使L1感生一个3~4kV的高压脉冲(宽度仅需几毫秒)将HPS灯启动。
一旦HPS灯启动成功,由于HPS灯的工作电压低于SIDAC的击穿点呀,SIDAC被关断,不会进一步乘胜高压触发脉冲。
L1采用飞利浦EC-35-3C81磁芯和三槽骨架绕制,NP=2砸,NS=63砸,导线分别为#22AWG和#20AWG(相应的线径分别为0.7mm和0.88mm)。
SIDAC选用MK1KV35。
图2-3HPS灯启动电路及硅双向开关的V-I特性
第3章高压钠灯电子镇流器
3.1高压钠灯与电子镇流器
钠灯是一种发光效率很高的新型电光源,其效率可高达100lm/w,钠灯分有高压和低压钠灯两种。
在玻璃外壳内有一个特种玻璃制成的放电管,其管内充有适量的钠,汞滴和惰性气体,放电管和玻璃壳之间抽成真空,以减少环境温度对灯的影响。
高压钠灯(HighPressureSodiumLamp,HPSL)的基本结构,主要由灯丝,双金属片热继电器,放电管,玻璃外壳,等组成,放电器由半透明的多晶氧化铝陶瓷制成,充有汞和汞钠剂,能产生很高压力的汞蒸气,灯丝由钨丝制成螺旋形或编织成能储存一定数量的碱土金属氧化物的形状,当灯丝发热时,碱土金属氧化物发射电子。
双金属的作用是:
当灯接入电源后,电流经过镇流器,热电阻,双金属片而形成通路,热电阻发热后,双金属片断开,由镇流器产生的瞬间自感电动势使管内的惰性气体电离击穿放电,温度升高后,汞也随着气化放电,使钠成为气态放电而产生强光。
电子镇流器(Electricalballast),是镇流器的一种,是指采用电子技术驱动电光源,使之产生所需照明的电子设备。
与之对应的是电感式镇流器(或镇流器)。
现代日光灯越来越多的使用电子镇流器,轻便小巧,甚至可以将电子镇流器与灯管等集成在一起,同时,电子镇流器通常可以兼具起辉器功能,故此又可省去单独的起辉器。
电子镇流器还可以具有更多功能,比如可以通过提高电流频率或者电流波形(如变成方波)改善或消除日光灯的闪烁现象;也可通过电源逆变过程使得日光灯可以使用直流电源。
电子镇流器是使用半导体电子元件,将直流或低频交流电压转换成高频交流电压,驱动低压气体放电灯(杀菌灯)、卤钨灯等光源工作的电子控制装置。
应用最广的是荧光灯电子镇流器。
在高压钠灯的工作电路中,与灯泡配套使用的镇流器有电感式镇流器和电子式镇流器两种。
电感式镇流器由电感线圈和矽钢片回路制成非封闭状,而专门留有很小间隙,使磁场处于非饱和状态,从而起到稳定电流的作用。
电子式镇流器顾名思义它是有电子元件组成的阴流器件,也是近年来实施照明节电的产品,它具有功耗低、体积小、重量轻、功率因数高,灯泡瞬时启动等特点。
新型高压钠灯电子镇流器具有自身功耗低、光照度强、恒功率输出、功率自动调节、功率因数高等功能特性,在实际应用中要比传统的电感整流器要节约30%的电能。
由于电子镇流器具有变频自动调功率功能,可避免电网波动对灯管造成的冲击,从而延长灯管的使用寿命,可以减少电子镇流器和灯具的更换次数。
电子镇流器启动电流也小,一般在1.2安培左右,相对于电感镇流器少了许多,供电线路的变压器可以小了许多,因此可以大大节省了基础建设的投资成本和后期维护费用。
新型高压钠灯电子镇流器自身损耗低,无频闪,恒功率输出,无电网污染,可持续提供优异的道路照明,可减少交通事故的发生率。
属于是“绿色环保”型高新技术产品,具有很好的推广应用价值。
3.2高压钠灯对电子镇流器的要求
HPSL电子镇流器因使用场所和其本身的特性,要求较为严格。
它的基本要求是:
1.较高的功率因数(≥0.99);
2.适应温度范围-20~50℃,且防雨雪;
3.输出到灯的功率必须恒定;
4.为防电极极化,灯的电流必须是交流,而且须防声共振;
5.必须有2.5~4kV的点灯触发电压,灯点亮后高压须消除,不影响灯的正常工作;
6.较高的功率(一般人行道为75W,道路为250W,广场为400W,最高达1000W);
7.对各种故障(灯短路、灯开路或无灯、弧光不正常、灯过压、灯过流以及电路本身的故障)的识别及保护功能完善。
3.3250W高压钠灯电子镇流器设计方案
HPSL普遍应用于车站、广场、码头、公路等场合的照明,由于环境因素的影响,对与其配套使用的电子镇流器提出了可靠性及稳定性的要求,同时由于线路设计直接制约着制造成本,因此主要考虑了以下几个点:
1.220VP50Hz市电进入电路后,首先经过过流、过压保护电路,再进入EMI滤波电路,EMI滤波电路可以抵抗射频及电磁干扰,将供电网与电子镇流器互相隔离,消除相互之间的干扰。
2.采用桥式整流电路及有源功率因数校正电路———获得稳定的高线路功率因数(高品质电子镇流器必须达到的)。
3.采用一对MOSFET功率管组成半桥式逆变电路。
这种电路驱动功耗小,电路简单、可靠。
4.采用专用的点燃HPSL必需的启动及闭锁保护电路。
5.逆变电路中的功率管工作于高压、大电流及高频工作状态,据统计它们的故障率较高。
本文采用N沟道增强型MOSFET功率管,它是依靠多数载流子工作的单极型器件,不存在双极型晶体管固有的二次击穿和少数载流子存储时间问题,因而具有较大的安全工作区域、良好的热稳定性和高的开关速度,驱动功率小,电路简单。
6.采用电压反馈自激式半桥逆变电路。
第4章高压钠灯电子镇流器设计实现
4.1原理框图
高压钠灯(HPSL)电子镇流器电路方框图如图4-1所示。
图4-1HPSL镇流器电路方框图
4.2实现电路
根据图4-1,我们得到高压钠灯(HPSL)电子镇流器具体实现电路如图4-2所示。
图4-2HPSL电子镇流器电路图
下面对图4-2的各部分电路进行详细说明。
4.2.1市电输入保护电路
市电输入保护电路如图4-3所示。
图4-3市电输入保护电路
图中,FU为保险丝,在短路过流时起保护作用。
RT为负温度系数热敏电阻元件,用于抑制电源接通瞬间的浪涌电流冲击。
常温下RT呈高阻态,随着流过电流的增高,其温度也升高,而电阻值却下降,在负载电流达到稳定时,其阻值下降至最小,对电流产生的影响可忽略不计。
RV为压敏电阻,其阻值随电压的增高而急剧减小,可吸收诸如雷电等原因引起的电网瞬时高电压冲击。
因其耐受瞬时功率能力强,可长期工作。
正常状态下,RV接近开路,故对电路的影响可忽略。
本电路简单、低廉、有效。
4.2.2EMI滤波器
电磁干扰包括射频干扰(RFI)和各式各样的电磁脉冲干扰,它们的危害正受到愈来愈多的重视。
来自电网和电子镇流器逆变电路大功率高频振荡的射频传导干扰必须采用EMI滤波器加以隔离,以消除两者之间的互相干扰。
本电路采用双π型EMI滤波器,如图4-4所示。
其中,L1=L2,C1=C2,C3=C4。
由于电感对射频干扰起阻流作用,而小容量电容则对射频干扰起近似短路作用,故EMI滤波器对射频传导干扰的抑制作用是明显的。
图4-4双π型EMI滤波器
电磁脉冲干扰在相线与中线间产生差模(对称模式)干扰,与地线无关,L1、L2对此干扰电流呈高阻抗;而在每条电源线与地线之间会产生共模(非对称模式)干扰,C3、C4对此干扰呈低阻抗,所以EMI滤波器对电磁干扰能有效抑制。
如果EMI滤波器的阻抗设计与干扰源的阻抗不匹配,则EMI滤波器还能将干扰源的干扰沿其进入的路径反射回去,这样EMI滤波器的滤波效果更佳。
4.2.3桥式整流器
桥式整流、电容滤波电路如图4-5所示。
图4-5桥式整流电容滤波电路
220VP50Hz的市电经整流后变成100Hz的正弦半波脉动直流电压,而50Hz的交流输入电流则因输出端接有滤波电解电容而产生严重畸变,如图4-6所示。
图4-6输入及输出波形
从波形图可见,IAC已畸变成尖脉冲电流,整流二极管的导通角θ很小,由波形分析可知,输入电流的高次谐波含量很高,线路功率因数跌至015~0165。
为解决这个问题,采用了下述的APFC电路。
4.2.4有源功率因数校正器(APFC)
上述的低值功率因数,只有采取功率因数校正器才能提高。
本型镇流器采用了以MC34262P集成电路为核心的固定开通时间零电源开关升压式APFC电路。
APFC电路如图4-7所示,IC为MC34262P,其中:
图4-7APFC电路
该集成电路内部含有自启动定时器、正交倍增器、零电流检测器、图腾柱驱动输出以及过压、欠压和过流保护电路。
B5的N1为APFC的电感器;D3为续流二极管;B5的N2为零电流检测绕组,同时经D1姜勇义:
250W高压钠灯电子镇流器的研制3支路整流滤波电路为IC提供直流电源;C8为补偿电容,确保可靠起动;R5、C9为抗干扰电路,免除过流保护电路误动作;R6为过流保护取样电阻;C20、C10为滤波电容。
当B5的N1中电流为零时,IC中的零电流检测器动作,使⑦脚输出宽度一定、幅度一定且周期可变的控制脉冲。
在脉冲宽度持续期间将K1开通,(B5)N1中的电流上升并储能,从控制脉冲下降边缘开始,K1关断,电感器的自感电势通过续流二极管向滤波电容充电,从而在直流滤波电容上得到升压至400V的直流电压,波形如图4-8所示,从波形图可以看出,输入电流的包络线和输入电压波形近似,且同相,故APFC电路使线路的功率因数接近于1。
其中,
Vw-交流输入电压波 IL-电感电流的包络线;
IR-交流输入电流的平均电流波;
VG-IC的⑦脚输出的控制脉冲。
图4-8K1栅极驱动电压、电感电流
本电路的零电压控制模式使K1只在电感中电流为零时才开通,故大大减小了开关管的应力和损耗,同时对续流二极管的恢复时间也没有严格要求,因此采用普通快恢复二极管即可满足使用要求。
本电路结构简单、外围电路元件少,大大缩小了电路的体积,降低了电路的成本并提高了可靠性。
本电路B5参数的设计、磁芯的选取以及制作质量均关系到输入交流电压的允许变化范围及电路的可靠性。
4.2.5逆变器电路
电子镇流器是将220VP50Hz市电转换成20kHz~30kHz的高频交流电,以供气体放电灯使用,而逆变器是将APFC电路输出的直流电逆变成20kHz~30kHz高频交流电的电路,可见逆变器处于电子镇流器电路的核心。
本型电子镇流器采用电压反馈自激半桥式逆变电路。
其中所用的振荡管兼作功率开关管,选用N沟道增强型MOSFET管,使得电路结构简单且可靠性大大提高,具体电路如图4-9所示。
图4-9电压反馈自激半桥逆变电路
B2的N1绕组的电感L1与C16构成串联谐振回路;B2a、B2b为一对反相电压反馈绕组;DW1、DW2和DW3、DW4保护K2、K3的安全。
APFC电路输出的400V直流电压作为逆变器的电源,其经R9对C11充电;经由R9、R10、D4对C16充电。
当C11的电压达到一定值时,触发二极管IA1导通,使K3开通,C16通过K3放电,电压反馈使K3关闭、K2开通,如此轮流关闭、导通,使自激振荡进入稳态工作。
自激振荡的频率F0=1P(2πL·C),其中L为串联谐振电感,C为串联谐振电容。
本振荡电路的频率主要由LN1和C16决定。
脉冲变压器B2输出的高频交流电压,经过B3、B4各自的串接绕组N1(升压、扼流)以及C15送至HPSL。
4.2.6高压钠灯启动电路
高压钠灯(HPSL)的启动(点亮)电压达3~4kV。
本型镇流器采用专用的启动电路产生这一电压,保证HPSL能可靠启动,同时又加上闭锁电路,即待HPSL被点燃启动后再自动将启动电路闭锁,以保证HPSL正常工作所需灯电压的供给(或者说,闭锁电路保证启动电路不至误动作,使HPSL始终处于正常工作状态)。
具体电路如图4-10所示。
图4-10HPSL闭锁电路
+400V电压通过R20、C18、C14组成的RCL滤波器进一步滤波后作为启动电路的电源电压。
B3、B4在启动电路工作过程中作为升压变压器用,D5、D6分别使用B3与B4的绕组N2相隔离。
DW5、DW6两个对接起来的稳压二极管用于保护K4的G、S极不被过电压击穿,它们把G、S间的电压限定在单个稳压管的稳压值以内。
当接通供电电源后,C16充电,其电压上升,使触发二极管IA2导通,K4开通,在B3、B4各自的N2绕组产生电压,经升压后达到3~4kV,使HPSL启动;随即B4的N3耦合过来的反馈电压使K5开启,致使IA2关断,保证K4在HPSL转入正常工作时被闭锁住,使B2、B3各自的N1绕组及C15退出谐振状态而转入镇流状态,补偿HPSL的负阻特性。
因此K5对K4部分启动电路的闭锁确保了HPSL处于稳定的工作状态。
4.3高压钠灯电子镇流器主要性能指标
高压钠灯(HPSL)电子镇流器的样机经国家电光源质量监督检验中心(上海)的检验,其技术指标有明显的优势,如表4-1所示。
通过1200小时恶劣高温环境下的试验考核及连续两年的实际使用显示,HPSL电子镇流器的性能稳定、可靠。
表4-1与国内同类产品主要性能指标对比(以2
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