现代交流调速系统-第6章

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现代交流调速系统-第6章

1 T2 p sd 1 T2 pLs isd s sT2 Ls isq
1 T2 p sq s sT2 sd Ls isd
Tem p n sd i sq
如果保持ψsd恒定，转矩直接与轴电流分量成正比，从而可以实现瞬时的转矩控制。定子磁链控制时，必须消除与isd有关的耦合项的影响，因而需设计一个解耦器，使isd与isq实现动态的解耦控制。定子磁链定向矢量控制的优点：定子方程简单，有利于定子磁链观测器的实现动静态性能好，控制系统结构相对简单些。

在矢量控制系统中，无论采用直接磁链定向还是间接磁链定向矢量控制，都要求准确地把握电机的参数。对于的闭环矢量控制系统，设转子磁链观测器采用静止（α，β）坐标系下i-n的模型，则实际转子磁链的幅值和相位满足：
r r2 r2
r r
Lm 1 s s T2 2
u u
s
Rs i s dt Ls i s Rs i s dt Ls i s
s

其运算框图如图6-3所示。
i s (i s ) u s (u s )
R s L s p Lr Lm p
图 6-3 u i 模型法转子磁链观测器
r ( r )
§6.5 异步电机矢量控制存在的问题
矢量控制技术在异步电机变频调速系统中得到了普遍应用的同时，依然存在着其控制本身所固有的缺陷：矢量控制严重依赖于电机参数；矢量控制在电机低速运行时的动静态性能一直不是很好；矢量控制的结构较为复杂，转矩控制的动态响应速度不快；矢量控制技术会有几个方面的问题有待进一步解决：应解决电机参数的在线自校正问题，发展具有参数自适应能力的矢量控制技术。无速度传感器矢量控制技术，在速度观测精度和对电机参数的敏感性方面有待进一步提高；另外，有待进一步扩大速度观测的范围，以提高调速比。有待构建交流调速领域统一的硬件发展平台，有待进一步提高变频调速系统的控制精度。

交流调速系统 - 北京交通大学电气工程学院

效率最高。变极对数只能有极调速，应用场合有限。变频调速最有发展前途
§6.2 闭环控制的交流变压调速系统
异步电机模型
r1 I1 x1σ r2’ Im=-I2’
(1-s)r2’
x 2 σ’
rm
U1
xm
Im
s
异步电机模型
σ1r1
I1 r1 x 1σ rm xm
σ1x1σ
-I2’’ =I2’ / σ1
六.本课程与其它课程的关系
要求 1.掌握基本的理论、分析方法、和典型的应用 2.学习本课程的思想，通过本课程的学习，不仅掌握知识，而且在学习能力、分析能力、综合能力上有提高。
六.本课程与其它课程的关系
如何学好本课程 1.复习+综合 2.学习做读书报告
七.计算机控制系统的概念
从本质上讲，计算机控制系统包括： 1.实时数据采集 2.实时决策 3.实时控制
1964年德 A.schonung 提出PWM。
§ 7-3 SPWM逆变器
PWM方法控制逆变器功率开关器件导通或断开，其输出端即获一系列宽度不等的矩形脉冲波形，从而决定开关动作的顺序和时间分配规律的控制方法。改变矩形脉冲宽度----逆变器输出交流基波电压幅值。改变调制周期---逆变器输出交流基波电压频率。
二.自动控制系统的分类
③过程控制系统特点：对生产过程自动提供一定的外界条件，例如：温度、压力、流量、粘度、浓度等参量保持恒定或按一定的程序变化。对其中的每一局部，可以是随动系统，也可以是恒值系统。例子：化工厂控制系统。
二.自动控制系统的分类
2.按数学模型分类数学模型
描述系统内部各物理量之间关系的数学表达式。静态模型
当电机电路参数不变时,在一定转速下，转矩正比于电压的平方

第六章交流调速系统

华南理工大学
交流电机的同步转速表达式为：
n1
＝
60 f1 p
异步电动机的转速表达式为：
n1＝
60 f1 p
(1
s)
因此，异步电动机的调速方法有改变电动机
定子供电频率，改变转差率及改变极对数等三种。
其中改变转差率又可通过调定子电压、转子电阻、
转差电压及定、转子频率差等方法实现。同步电
动机的调速可用改变供电频率从而改变同步转速
Sm
R2
R12 12 (Ll1 Ll2 )2
Tm
21[R1
3 pU12
R12 12 (Ll1 L'l 2 ) 2 ]
华南理工大学
上式表明，当转速或转差率一定时，电磁转
矩与电压平方成正比。对应不同的定子电压，可得到一组机械特性曲线，如图6—3 所示，图中
U1N表示定子额定电压。
右图分析：带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机调压时的稳定工作点为 A—B—C，转差率在 0—Sm范围内变化，调速范围很小。如带风机类负载运行，工作点为D、E、F，调速范围稍大些。
电路（e）只用三个晶闸管，它们位于三相绕组后面可减少电网浪涌电压对它的冲击，即使三相绕组发生相间短路也不致损坏晶闸管，它的移相范围为2100。此电路要求定子绕组中性点能拆开，且只能接成Y形。电路上有偶次谐波，对电机不利。
华南理工大学
优胜电路：
综上所述，电路（b）、(e)性能较好，在交流调压调速系统中多采用这两个方案。
华南理工大学
6.2.2 异步电动机在调压时的机械特性
根据电机学原理，异步电动机稳态时的简化等值电络图如图6—2所示。
I1
R1
Ll1

(完整word版)《交流调速系统》课后习题答案

《交流调速系统》课后习题答案第 5 章闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。

答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。

从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。

1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。

在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。

可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。

2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。

无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。

3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。

其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。

只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。

5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。

第6章交流异步电动机调速系统

结论：结论：
基频f 以下调速，Φ 基频fN以下调速，Φm恒定，转矩恒定，即恒转矩调速；基频f 以上调速，n 基频fN以上调速，n升高时转矩降低，即恒功率调速；
§6.3.3 异步电动机电压—频率协调控制时异步电动机电压— 的机械特性
一、恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性一、恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性二、基频以下电压— 二、基频以下电压—频率协调控制时的机械特性三、基频以上恒压变频调速时的机械特性三、基频以上恒压变频调速时的机械特性
§6.3.1 VVVF调速的基本原理 VVVF调速的基本原理
由式，由式 n1 = 当极对数p不变时，同步转速n 当极对数p不变时，同步转速n1与电源频率 f1成正比，f1可以向上（大于fN）也可以向下（小于fN）。成正比，f 可以向上（大于f ）也可以向下（小于f
60 f1 p
三相异步电动机定子每相电动势的有效值：
sm =
Rr'
' Rs2 + ω12 ( L1s + L1r ) 2
Te max =
3n pU s2
' 2ω1 [ Rs + Rs2 + ω12 ( L1s + L1r ) 2 ]
对上面两式分析：改变U 对上面两式分析：改变Us ①同步转速n1不变（因为 n1 = 同步转速n 不变（） Te ∝ U s2 ，即转矩随电压的平方而改变。 ② 即转矩随电压的平方而改变。 ③最大转差率sm（或额度转差率sN）不变。因为sm与Us 最大转差率s 或额度转差率s 不变。因为s 无关。无关。
60 f1 p
不同U 不同Us下感应电动机的机械特性
从上图看出，从上图看出，当负载一定时： TL＝C，则三个电压下的转速为 A,B,C. A,B,C. 结论：调速范围小！结论：调速范围小！

第6章交流-交流变换电路

周波变换器
6-1 交流电压控制电路
典型应用
1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制) 2 异步电动机软起动 3 小型异步电动机调压调速 4 供用电系统对无功功率的连续调节 5 加热炉温度控制
6-1 交流电压控制电路 6-1-1 单相交流调压控制方式： 1.通断控制
2.相位控制
6-1-1 单相交流调压
电力电子开关应用例
无功补偿装置—晶闸管投切电容器（TSC： Thyristor Switched Capcitor）中利用晶闸管实现补偿电容的投入与切除，实现输入功率因数在期望值附近。
TSC单相主电路
返回
6-2 相控交交变频电路 6.2.1 单相交-交变频电路
1) 基本结构与工作原理
将两个相控整流电路反并联并控制它们分时向负载供电，则可在负载上获得交流电
Y 三相四线联接（ N 联接）三角形联接（ D联接）
三相四线联接、三角形联接三相交流调压可看作是三个单相交流调压电路的组合,可仿照单相交流调压方法进行控制.
6-1-2 三相交流调压
中线上是否存在电流?
6-1-2 三相交流调压
三相三线联接（Y 联接）工作原理
1 由于没有零线，每相电流必须和另一相构成回路.与三相全控桥整流电路一样，应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。
接线复杂，使用的晶闸管较多
受电网频率和变流电路脉波数的限制输出频率较低，输出电压谐波成分大采用相控方式，输入功率因数较低
交-交变频器主要用于500kW以上，转速在 600r/min以下的大功率、低转速的交流调速装置中。它既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。
6-2-2 三相交交变频电路
控制方式：

第六章交流异步电动机变频调速系统PPT课件

电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻
抗压降，而认为定子相电压 Us ≈ Eg，
8
则得 U s 常值
这是恒压频f1 比的控制方式。
（6-3）
但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。
这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
3
第一节变频调速的基本控制方式和机械特性通过改变定子供电频率来改变同步转速实现
对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。
原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保
带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下
图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。
2. 基频以上调速
在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，
但定子电压Us 却不可能超过额定电压
9
UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通
与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
Us UsN
11
Us Φm
恒转矩调速
UsN ΦmN
Us
恒功率调速
Φm
O
f1N
f1
图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性
异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的：
基频以下，采取恒磁恒压频比控制方式；
基频以上，采取恒压弱磁升速控制方式。
12
U Te
P
N
UN
Te
U
P
O
变电压调速

6.7交流电动机变频调速基础

脉冲发生器
f*
工作频率 t 设定升降速时间设定
u
电压补偿设定
f
驱动电路
u f
PWM产生
通用变频器是根据异步电动机稳态模型来涉及其控制系统，为了实现电压－频率协调控制，它采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。主要可以应用在和通用的笼型异步电机配套使用，同时具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。近年来自动控制功能的变频器质量不断提高。
第6章、交流电动机调速
3．基频以上恒压变频时的机械特性
n
n0c n0b
n0a
1c
1b 1a 1N
1N < 1a < 1b < 1c
恒功率调速
n0N
O
Te
图2-12 基频以上恒压变频调速时的机械特性
第6章、交流电动机调速
二、转速开环恒压频比交流调速系统－通用变频器
斜坡函数
U / f 曲线
第7章、交流技术基础
三、绝缘栅双极晶体管（IGBT/IPM）
绝缘栅双极型晶体管IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，其将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗，为电压驱动器件。开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT 所能应用的范围基本上替代了传统的晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）等器件,与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。 IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道 MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。

变频电路

图6-3 正弦波交－交变频装置的输出电压波形
如图6-3所示，在A点α＝0，平均整流电压最大，然后在B、C、D、E点α逐渐增大，平均电压减小，直到F点 α＝π/2，平均电压为零。半周中平均输出电压为图中虚线所示的正弦波。对反组负半周的控制也是这样。
在电感性负载下，假设可
得到正弦的负载电压和电流波形uo＝f(ωt)和io＝f(ωt)如图6-4 所示，这时电流滞后电压，意味着每一组变流器在它的输出电压改变极性之后必须继续导通，而变流器的通、断由电流方向决定，与输出电压极性无关。所以io正半波，正组工作；负半周，反组工作。由于io与uo 有相位差，它们的瞬时极性有时相同，有时相反。
图6-2 交－交变频装置一相电路及波形 (a)电路原理图 (b)方波型平均输出电压波形
交-交变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路如图6-2(a)所示。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压uO。uO的幅值决定于各组整流装置的控制角。uo的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角α一直不变，则输出的平均电压是方波，如图6-2(b)所示。
电力电子技术
第6章变频电路
第6章变频电路
• 6.1变频电路的基本概念 • 6.2交－交变频电路 • 6.3交－直－交变频电路 • 6.4变频电路在交流调速系统的应用
6.1变频电路的基本概念
在现代化生产中需要各种频率的交流电源，主要用途是：
①标准50Hz电源。 ②不间断电源(UPS) 。 ③中频装置。 ④变频调速。
6.3交－直－交变频电路
交－直－交变频电路其结构框图如图6-8所示。
图6-8 交－直－交变频电路结构框图
按照不同的控制方式，交－直－交变频器可分成以下三种方式：

自动控制原理与系统__课件第六章晶闸管直流调速系统

（3）改变电枢回路电阻 R，实现有级调速。
三种调速方法的性能与比较
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。对要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
第六章晶闸管直流调速系统
直流调速系统具有良好的起动、制动性能，可以方便地在宽范围内平滑调速，因此，我国工业生产中许多场合仍然使用着直流调速系统。
直流调速系统在反馈控制理论及实践应用上比较成熟，所以熟悉直流调速系统对交流调速系统的分析与设计有直接的指导意义。
6.1直流调速系统认识
一.直流电动机的调速方法
n
n0
∆ nN
a
0 O
TN
Te（Ia）
•
静差率：当系统在某一机械特性下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即（转速变化率）
n N s n0
或用百分数表示
nN s 100% n0
2.调速范围：
生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即
控制电路
+ +
u Us ton Ud
VT Us
_
VD
M
_
O
T
a）原理图 b）电压波形图
t
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。这样的系统称为直流脉宽调速系统,简称为PWM系统.

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0 urd p rd s s rq Rr ird 0 urq p rq s s rd Rr irq
➢磁链方程
rd Lmisd Lr ird rq Lmisq Lr isq
sd Ls isd Lmird sq Ls isq Lmirq
其中，LS、Lr及Lm分别为定子电感、转子电感及定转子互感。
*
i
* sq
u sq
u
* sq
* rd
u sq
PWM
u sd
u
* sd
逆变器
s s
Lmisq T2 rd
rd
s s
Lm
1 T2 p isd
s dt
isq
d q
s
u sd
s
is
iabc
LPF
us
u abc
速度检测
TG
M 3～
图 6-2 转子磁链定向矢量控制基本框图
C 1 C 1
§6.2.3 转差频率矢量控制原理
Tem
pn
Lm Lr
isq rd
pn Rr
2 rd
s
s
其中，T2 Lr Rr 转子的时间常数
以上为转子磁链定向的矢量控制方程，当ψrd恒定时，电磁转
矩和定子电流的轴分量（或转差率）成正比，因而通过控制定子电流的轴分量即可控制电磁转矩，从而实现磁链和转矩的解耦控制。
转子磁链定向矢量控制系统的基本框图如图6-2所示。
§6.1 引言
VVVF变频调速控制系统在稳定性、起动、动态响应性能及低速性能等方面的性能尚不能令人满意。而当今的生产机械对调速系统的动静态性能提出了更高的要求，经过许多专家学者和工程技术人员的不断改进与完善，终于形成了目前得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。本章分析异步电机矢量控制系统。
第6章异步电机矢量控制系统
§6.1 引言 §6.2 异步电机矢量控制原理
§6.2.1 异步电机数学模型 §6.2.2 转子磁链定向矢量控制原理 §6.2.3 转差频率矢量控制原理 §6.2.4 定子磁链定向矢量控制原理 §6.3 转子磁链观测器 §6.4 矢量控制对电机参数的依赖性 §6.5 异步电机矢量控制存在的问题思考与练习六
is*d 2
i
* sq
2
s
s s
dt
arctg
i
* sq
i
* sd
Tem
pn Rr
L2mis2d s s
转差频率矢量控制的缺点：磁链定向不准、不正确的稳态转差频率也会产生转矩的稳态误
差、效率降低、电机额外发热
§6.2.4 定子磁链定向矢量控制原理
这种矢量控制方法是将参数坐标系的d轴放在旋转的定子磁链方向上，从而控制定子磁链的q轴分量为零，矢量控制方程为:
定子磁链定向矢量控制的缺点：低速时，反电动势测量误差较大，定子磁链的观测不准，从而影响了系统的动静态性能。
§6.3 转子磁链观测器
目前，在实用的矢量控制系统中，均采用间接磁链观测的方法，主要有以下几种实用的转子磁链观测模型。
➢电压模型法（模型法）
r
Lr Lm
us Rsis dt Lsis
➢转矩方程
Tem pn ( sd isq sqisd )
其中，Pn是异步电机的极对数。
➢机械运动Leabharlann 程Jddt
(Tem
TL )
其中，J为机械惯性常数。
§6.2.2 转子磁链定向矢量控制原理
在转子磁链定向矢量控制系统中，电机的转子电压方程、转子磁链方程和电磁转矩方程（以后合称派克方程）可表示为：
u sd p sd Rs isd u sq s sd Rs isq
1 T2 p sd 1 T2 pLsisd ssT2Lsisq
1 T2 p sq ssT2 sd Lsisd
Tem pn sd isq
如果保持ψsd恒定，转矩直接与轴电流分量成正比，从而可以实现瞬时的转矩控制。定子磁链控制时，必须消除与isd有关的耦合项的影响，因而需设计一个解耦器，使isd与isq实现动态的解耦控制。定子磁链定向矢量控制的优点：定子方程简单，有利于定子磁链观测器的实现动静态性能好，控制系统结构相对简单些。
r
Lr Lm
us Rsis dt Lsis
其运算框图如图6-3所示。
is (is ) us (us )
Rs Ls p Lr Lm p
图 6-3 u i 模型法转子磁链观测器
r ( r )
➢电流模型法（模型法）同理可在静止（α，β）坐标系下推出
r
1 1 T2 p
Lm i s
r
1
Tp Tp
r
u i模型
1 1 Tp
r
i n模型
r
1
Tp Tp
r
u i模型
1
1 Tp
r
i n模型
➢改进电压模型法（改进模型法）
u-i模型法在电机低速运行时这种观测方法会有问题。这时可以用转子磁链的给定值取代观测值，其间的转换是自动平滑进行的，同时避免了开环纯积分环节的使用。
借用矢量控制的思想，应用稳态转差率来得到转子磁链的位置，由转子磁链直接得到定子电流轴分量的给定值,再通过有效地控制定子电流的幅值、相位和频率，就形成了转差矢量控制，从而有效避免了磁链的闭环控制。
这种转差频率矢量控制的方程如下：
i
* sd
* rd
Lm
i
* sq
k p 1
1 Ti s
*
I
* s
T2 r
r
1 1 T2 p
Lm i s
T2 r
其运算框图见图6-4。
i s Lm
1
r
1 T2 p
T2
i s Lm
1
r
1 T2 p
图 6-4 i n 模型法转子磁链观测器
➢组合模型法（模型法）
如果考虑到u-i模型法和i-n模型法的各自优缺点，将两者结合起来使用，即在高速时让u-i模型起作用，而通过低通滤波器（LPF ）将模型的观测值滤掉；在低速时让i-n模型起作用，而通过高通滤波器（HPF）将模型的观测值滤掉。即：
0 Rrird p rd 0 Rrirq s s rd
rd Lmisd Lrird 0 rq Lmisq Lrirq
Tem
pn
Lm Lr
isq rd
整理后可得：
usq
Rsisq
Ls pisq
s
Lm Lr
rd
sLsisd
rd
1
Lm T2
p
isd
s s
Lmisq
T2 rd
i
§6.2 异步电机矢量控制原理
§6.2.1 异步电机数学模型在分析异步电机矢量控制系统中，主要采用两种坐标系：旋转
（d，q）坐标系和静止（α，β）坐标系。以下为转子磁链旋转角速度ω旋转的坐标系下的异步电机数学模型。
➢电压方程
u sd p sd s sq Rs isd u sq p sq s sd Rs isq

现代交流调速系统-第6章

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