《運動控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt
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1、運動控制系統(tǒng),,7.0 引言,轉差功率問題 轉差功率始終是人們在研究異步電動機調(diào)速方法時所關心的問題,因為節(jié)約電能是異步電動機調(diào)速的主要目的之一,而如何處理轉差功率又在很大程度上影響著調(diào)速系統(tǒng)的效率。 如第5章所述,交流調(diào)速系統(tǒng)按轉差功率的處理方式可分為三種類型。,交流調(diào)速系統(tǒng)按轉差功率的分類,1)轉差功率消耗型異步電機采用調(diào)壓控制等調(diào)速方式,轉速越低時,轉差功率的消耗越大,效率越低;但這類系統(tǒng)的結構簡單,設備成本最低,所以還有一定的應用價值。 2)轉差功率不變型變頻調(diào)速方法轉差功率很小,而且不隨轉速變化,效率較高;但在定子電路中須配備與電動機容量相當?shù)淖儔鹤冾l器,相比之下,設備成本最高
2、。 3)轉差功率饋送型控制繞線轉子異步電動機的轉子電壓,利用其轉差功率并達到調(diào)節(jié)轉速的目的,這種調(diào)節(jié)方式具有良好的調(diào)速性能和效率;但要增加一些設備。,7.1 異步電機雙饋調(diào)速工作原理,本節(jié)提要 概述 異步電機轉子附加電動勢的作用 異步電機雙饋調(diào)速的五種工況,轉差功率的利用 作為異步電動機,必然有轉差功率,要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率,除了盡量減小轉差功率外,還可以考慮如何去利用它。 但要利用轉差功率,就必須使異步電動機的轉子繞組有與外界實現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件,顯然籠型電動機難以勝任,只有繞線轉子電動機才能做到。,7.1.0 概述,繞線轉子異步電動機,,Ps,,P1,繞線轉子異步電動機結構如圖所示,從廣
3、義上講,定子功率和轉差功率可以分別向定子和轉子饋入,也可以從定子或轉子輸出,故稱作雙饋電機。,繞線轉子異步電動機轉子串電阻調(diào)速,根據(jù)電機理論,改變轉子電路的串接電阻,可以改變電機的轉速。 轉子串電阻調(diào)速的原理如圖所示,調(diào)速過程中,轉差功率完全消耗在轉子電阻上。,雙饋調(diào)速的概念,所謂“雙饋”,就是指把繞線轉子異步電機的定子繞組與交流電網(wǎng)連接,轉子繞組與其他含電動勢的電路相連接,使它們可以進行電功率的相互傳遞。 至于電功率是饋入定子繞組和/或轉子繞組,還是由定子繞組和/或轉子繞組饋出,則要視電機的工況而定。,雙饋調(diào)速的基本結構,,如上圖所示,在雙饋調(diào)速工作時,除了電機定子側與交流電網(wǎng)直接連接外
4、,轉子側也要與交流電網(wǎng)或外接電動勢相連,從電路拓撲結構上看,可認為是在轉子繞組回路中附加一個交流電動勢。,功率變換單元,由于轉子電動勢與電流的頻率隨轉速變化,即f2=sf1,因此必須通過功率變換單元(Power Converter UnitCU)對不同頻率的電功率進行電能變換。 對于雙饋系統(tǒng)來說,CU應該由雙向變頻器構成,以實現(xiàn)功率的雙向傳遞。,雙饋調(diào)速的功率傳輸,(1)轉差功率輸出狀態(tài),異步電動機由電網(wǎng)供電并以電動狀態(tài)運行時,它從電網(wǎng)輸入(饋入)電功率,而在其軸上輸出機械功率給負載,以拖動負載運行;,(2)轉差功率輸入狀態(tài),當電機以發(fā)電狀態(tài)運行時,它被拖著運轉,從軸上輸入機械功率,經(jīng)機電能
5、量變換后以電功率的形式從定子側輸出(饋出)到電網(wǎng)。,7.1.1 異步電機轉子附加電動勢的作用,異步電機運行時其轉子相電動勢為 式中 s 異步電動機的轉差率; Er0 繞線轉子異步電動機在轉子不動時的相電動勢,或稱轉子開路電動勢,也就是轉子額定相電壓值。,,,,(7-1),,轉子相電流的表達式為: 式中 Rr 轉子繞組每相電阻; Xr0 s=1時的轉子繞組每相漏抗。,,(7-2),,轉子附加電動勢,,,,,圖7-1 繞線轉子異步電動機轉子附加電動勢的原理圖,,附加電動勢與轉子電動勢有相同的頻率,可同相或反相串接。,,引入可控的交流附加電動勢,,有附加電動勢時的轉
6、子相電流: 如圖7-1所示,繞線轉子異步電動機在外接附加電動勢時,轉子回路的相電流表達式,,(7-3),轉子附加電動勢的作用,1. Er 與 Eadd 同相 當 Eadd , 使得: 這里:,,,,,轉速上升;,,轉子附加電動勢的作用(續(xù)),當 Eadd , 使得: 這里:,,,,,轉速下降;,轉子附加電動勢的作用(續(xù)),2. Er與Eadd反相 同理可知,若減少或串入反相的附加電動勢,則可使電動機的轉速降低。 所以,在繞線轉子異步電動機的轉子側引入一個可控的附加電動勢,就可調(diào)節(jié)電動機的轉速。,,,,,,7.1.2 異步電機雙饋調(diào)速的五種工況,本節(jié)摘要 電機在次同步轉速下作電動運行 電
7、機在反轉時作倒拉制動運行 電機在超同步轉速下作回饋制動運行 電機在超同步轉速下作電動運行 電機在次同步轉速下作回饋制動運行,異步電機的功率關系,忽略機械損耗和雜散損耗時,異步電機在任何工況下的功率關系都可寫作,(7-4),式中 Pm 從電機定子傳入轉子(或由轉子傳出給定 子)的電磁功率 sPm 輸入或輸出轉子電路的功率,即轉差功率 (1-s)Pm 電機軸上輸出或輸入的功率,由于轉子側串入附加電動勢極性和大小的不同,s 和Pm 都可正可負,因而可以有以下五種不同的工作情況。,1. 電機在次同步轉速下作電動運行,工作條件: 轉子側每相加上與Er0同相的附加電動勢+Eadd(Eadd 8、0),并把轉子三相回路連通。 運行工況: 電機作電動運行,轉差率為0 9、態(tài),,,,,,,,,,,Te,0,1,2,s,-n,-n1,,Pm,3. 電機在超同步轉速下作回饋制動運行,工作條件: 進入這種運行狀態(tài)的必要條件是有位能性機械外力作用在電機軸上,并使電機能在超過其同步轉速n1的情況下運行。 此時,如果處于發(fā)電狀態(tài)運行的電機轉子回路再串入一個與sEr0反相的附加電動勢+Eadd,電機將在比未串入+Eadd時的轉速更高的狀態(tài)下作回饋制動運行。,,,,,,運行工況: 電機處在發(fā)電狀態(tài)工作,s1,電機功率由負載通過電機軸輸入,經(jīng)過機電能量變換分別從電機定子側與轉子側饋送至電網(wǎng)。此時式(7-4)可改寫成,,,,,,,,,,,,,,,功率流程,4. 電機在超同步轉 10、速下作電動運行,工作條件: 設電機原已在 0 11、機切換到制動狀態(tài)下工作。 設電機原在低于同步轉速下作電動運行,其轉子側已加入一定的+Eadd。要使之進入制動狀態(tài),可以在電機轉子側突加一個反相的附加電動勢。,,,,,運行工況,在低于同步轉速下作電動運行,Eadd由“+”變?yōu)椤?”,并使 |-Eadd| 大于制動初瞬的Er0 ,電機定子側輸出功率給電網(wǎng),電機成為發(fā)電機處于制動狀態(tài)工作,并產(chǎn)生制動轉矩以加快減速停車過程。電機的功率關系為,,功率流程,,,,,,,,,,,,,五種工況小結,圖7-2 異步電機在轉子附加電動勢時的工況及其功率流程,五種工況都是異步電機轉子加入附加電動勢時的運行狀態(tài)。 在工況a,b,c中,轉子側都輸出功率,可把轉子的 12、交流電功率先變換成直流,然后再變換成與電網(wǎng)具有相同電壓與頻率的交流電功率。,a)轉子輸出功率的工況,,圖7-4 異步電機轉子側連接的功率變換單元,b)轉子輸入功率的工況,圖7-4 異步電機轉子側連接的功率變換單元,7.2 異步電機在次同步電動狀態(tài)下的 雙饋系統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng),本節(jié)摘要 串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 串級調(diào)速系統(tǒng)的其它類型,基本思路 在異步電機轉子回路中附加交流電動勢調(diào)速的關鍵就是在轉子側串入一個可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢? 對于只用于次同步電動狀態(tài)的情況來說,比較方便的辦法是將轉子電壓先整流成直流電壓,然后再引入一個附加的直流電動勢,控制此直流附加電動勢的幅 13、值,就可以調(diào)節(jié)異步電動機的轉速。 這樣,就把交流變壓變頻這一復雜問題,轉化為與頻率無關的直流變壓問題,對問題的分析與工程實現(xiàn)都方便多了。,7.2.1 串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,對直流附加電動勢的技術要求,首先,它應該是可平滑調(diào)節(jié)的,以滿足對電動機轉速平滑調(diào)節(jié)的要求; 其次,從節(jié)能的角度看,希望產(chǎn)生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉子側傳遞來的轉差功率并加以利用。,系統(tǒng)方案,根據(jù)以上兩點要求,較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動勢的電源,這就形成了圖7-4a中所示的功率變換單元CU2。 按照上述原理組成的異步電機在低于同步轉速下作電動狀態(tài)運行的雙饋 14、調(diào)速系統(tǒng)如圖7-5所示,習慣上稱之為電氣串級調(diào)速系統(tǒng)(或稱Scherbius系統(tǒng))。,圖7-5 電氣串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)組成,功率變換單元,UR 三相不可控整流裝置,將異步電機轉子相電動勢 sEr0 整流為直流電壓Ud 。 UI 三相可控整流裝置,工作在有源逆變狀態(tài): 可提供可調(diào)的直流電壓Ui,作為電機調(diào)速所需的附加直流電動勢; 可將轉差功率變換成交流功率,回饋到交流電網(wǎng)。,,,,,工作原理,(1)起動 起動條件: 對串級調(diào)速系統(tǒng)而言,起動應有足夠大的轉子電流Ir或足夠大的整流后直流電流Id,為此,轉子整流電壓Ud與逆變電壓Ui間應有較大的差值。,,,,,,,,起動控制,控制逆變角 , 15、使在起動開始的瞬間,Ud與Ui的差值能產(chǎn)生足夠大的Id,以滿足所需的電磁轉矩,但又不超過允許的電流值,這樣電動機就可在一定的動態(tài)轉矩下加速起動。 隨著轉速的增高,相應地增大 角以減小值Ui,從而維持加速過程中動態(tài)轉矩基本恒定 。,工作原理(續(xù)),(2)調(diào)速 調(diào)速原理:通過改變 角的大小調(diào)節(jié)電動機的轉速。 調(diào)速過程:,,,,,,Ui,Id,,K1sEr0,n,,Te,,,Te = TL,,,,,,,,,Id,,工作原理(續(xù)),(3) 停車 串級調(diào)速系統(tǒng)沒有制動停車功能。只能靠減小 角逐漸減速,并依靠負載阻轉矩的作用自由停車。,結 論,串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角 實現(xiàn)平滑無級調(diào)速 系統(tǒng)能把異步 16、電動機的轉差功率回饋給交流電網(wǎng),從而使扣除裝置損耗后的轉差功率得到有效利用,大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。,*7.3.1 異步電動機串級調(diào)速機械特性的特征,1. 理想空載轉速 在異步電動機轉子回路串電阻調(diào)速時,其理想空載轉速就是其同步轉速,而且恒定不變,調(diào)速時機械特性變軟,調(diào)速性能差。 在串級調(diào)速系統(tǒng)中,電動機的極對數(shù)與旋轉磁場轉速都不變,同步轉速也是恒定的,但是它的理想空載轉速卻能夠連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。,,根據(jù)式(7-5),當系統(tǒng)在理想空載狀態(tài)下運行時(Id = 0),轉子直流回路的電壓平衡方程式變成,,其中,s0異步電動機在串級調(diào)速時對應于某一 角的理想空載轉差率,并取K1=K2,則,(7-6), 17、理想空載轉速方程,由此可得相應的理想空載轉速n0為:,,,(7-7),,式中 nsyn 異步電動機的同步轉速。,特性分析,從式(7-6)和式(7-7)可知,在串級調(diào)速時,理想空載轉速與同步轉速是不同的。當改變逆變角 時,理想空載轉差率和理想空載轉速都相應改變。 由式(7-5)還可看出,在不同的 角下,異步電動機串級調(diào)速時的機械特性是近似平行的,其工作段類似于直流電動機變壓調(diào)速的機械特性。,2機械特性的斜率與最大轉矩,串級調(diào)速時,轉子回路中接入了串級調(diào)速裝置(包括兩套整流裝置、平波電抗器、逆變變壓器等),實際上相當于在電動機轉子回路中接入了一定數(shù)量的等效電阻和電抗,它們的影響在任何轉速下都存在。 18、 由于轉子回路電阻的影響,異步電動機串級調(diào)速時的機械特性比其固有特性要軟得多。,轉子回路電阻的影響,當電機在最高速的特性上(=90)帶額定負載,也難以達到其額定轉速。 整流電路換相重疊角將加大,并產(chǎn)生強迫延遲導通現(xiàn)象,使串級調(diào)速時的最大電磁轉矩比電動機在正常接線時的最大轉矩有明顯的降低。,這樣,串級調(diào)速時的機械特性便如圖7-7所示。,串級調(diào)速時的機械特性圖,圖7-7 異步電動機串級調(diào)速時的機械特性 a) 大電機 b)小電機,從圖7-5中可以看出,異步電動機相當于轉子整流器的供電電源。如果把電動機定子看成是整流變壓器的一次側,則轉子繞組相當于二次側,與帶整流變壓器的整流電路非常相似,因而可 19、以引用電力電子技術中分析整流電路的一些結論來研究串級調(diào)速時的轉子整流電路。 但是,兩者之間還存在著一些顯著的差異,主要是:,*7.3.2 異步電動機串級調(diào)速時的轉子整流電路,(1)一般整流變壓器輸入輸出的頻率是一樣的,而異步電動機轉子繞組感應電動勢的幅值與頻率都是變化的,隨電機轉速的改變而變化; (2)異步電動機折算到轉子側的漏抗值也與轉子頻率或轉差率有關; (3)由于異步電動機折算到轉子側的漏抗值較大,所以出現(xiàn)的換相重疊現(xiàn)象比一般整流電路嚴重,從而在負載較大時會引起整流器件的強迫延遲換相現(xiàn)象。,整流電路的不同點,1. 轉子整流電路,圖7-8 轉子整流電路,2. 電路分析,假設條件: (1) 20、整流器件具有理想的整流特性,管壓降及漏電流均可忽略; (2)轉子直流回路中平波電抗器的電感為無窮大,直流電流波形平直; (3)忽略電動機勵磁阻抗的影響。,換相重疊現(xiàn)象,設電動機在某一轉差率下穩(wěn)定運行,轉子三相的感應電動勢為era、erb、erc。當各整流器件依次導通時,必有器件間的換相過程,這時處于換相中的兩相電動勢同時起作用,產(chǎn)生換相重疊壓降,如下圖所示。,換相重疊波形,換相重疊壓降,換相重疊角,根據(jù)電力電子技術中介紹的理論,換相重疊角為,換相重疊角,,(7-8),其中XD0 -----s=1時折算到轉子側的電動機定子和轉子每相漏抗。,,由式(7-8)可知,換相重疊角隨著整流電流Id 的增大 21、而增加。 當Id 較小, 在0 60之間時,整流電路中各整流器件都在對應相電壓波形的自然換相點處換流,整流波形正常。,,當電流Id 增大到按式(7-8)計算出來的 角大于60時,器件在自然換相點處未能結束換流,從而迫使本該在自然換相點換流的器件推遲換流,出現(xiàn)了強迫延遲換相現(xiàn)象,所延遲的角度稱作強迫延時換相角 p 。 由此可見,串級調(diào)速時的異步電動機轉子整流電路有兩種正常工作狀態(tài)。,轉子整流電路的工作狀態(tài),(1)第一種工作狀態(tài)的特征是 0 60, p = 0 此時,轉子整流電路處于正常的不可控整流工作狀態(tài),可稱之為第一工作區(qū)。 (2)第二種工作狀態(tài)的特征是 = 60, 0 < p 22、 < 30 這時,由于強迫延遲換相的作用,使得整流電路好似處于可控的整流工作狀態(tài),p 角相當于整流器件的控制角,這一狀態(tài)稱作第二工作區(qū)。,,,,,,轉子整流電路的工作狀態(tài)(續(xù)),(3)當 =30時,整流電路中會出現(xiàn)4個器件同時導通,形成共陽極組和共陰極組器件雙換流的重疊現(xiàn)象,此后p 保持為30,而角繼續(xù)增大,整流電路處于第三種工作狀態(tài),這是一種非正常的故障狀態(tài)。,,,,轉子整流電流與 、p 間的函數(shù)關系,圖7-9 轉子整流電路的 = f ( Id ), p = f ( Id ),Id1-2,串級調(diào)速時轉子整流電路的電流和電壓,由于整流電路的不可控整流狀態(tài)是可控整流狀態(tài)當控制角為零時的特殊情況 23、,所以可以直接引用可控整流電路的有關分析式來表示串級調(diào)速時轉子整流電路的電流和電壓。,,(7-9),串級調(diào)速時轉子整流電路的電壓,式中 RD=sRs+Rr為折算到轉子側的電動機定子和轉子每相等效電阻。,,,(7-10),,上兩式中, 當 0 < p < 30, =60時表示轉子整流電路工作在第二工作區(qū); 當p = 0, = 0 60 時表示轉子整流電路工作在第一工作區(qū)。,*7.3.3 異步電動機串級調(diào)速機械特性方程式,圖710 串級調(diào)速系統(tǒng),a)主電路,b)等效電路,1. 電路結構,2. 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電路方程,轉子整流電路的輸出電壓為 逆變器直流側電壓 電壓平衡方程,,(7-11),,(7-12 24、),(7-13),,,以上三式中 RL直流平波電抗器的電阻; XT 折算到二次側的逆變變壓器每相等效漏抗,XT = XT 1 + XT 2 。 RT 折算到二次側的逆變變壓器每相等效電阻,RT = RT 1 + RT 2 。,,,,,,3. 轉差率與轉速方程,解式(711)式(713),可以得到用轉差率表示的方程式,,(7-14),轉速特性方程,將 s=(n0 n)/n0代入上式,得到串級調(diào)速時的轉速特性為,,(7-15),如令p = 0,則式(7-15)就表示系統(tǒng)在第一工作區(qū)的轉速特性。,,分析式(7-15)可以看出,等號右邊分子中的第一項是轉子直流回路的直流電壓,,(7-16) 25、,第二項相當于回路中的總電阻壓降,可以寫作Id R,而分母則是轉子整流器的輸出電壓。,等效電動勢系數(shù)公式,如借用直流電動機的概念和有關算式,引入電動勢系數(shù) CE ,使,,(7-17),轉速特性方程的直觀形式,則式(7-15)可改寫成,,(7-18),其中,,,,,注意: 在直流調(diào)速系統(tǒng)中,電動勢系數(shù)Ce是常數(shù),但在串級調(diào)速系統(tǒng)中,CE是負載電流的函數(shù),它是使轉速特性成為非線性的重要因素,故兩個符號的下角不同,以示區(qū)別。,兩種轉速特性的比較,式(7-18)表明,異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)與直流它勵電動機的轉速特性在形式上完全相同,改變電壓即可得到一族平行移動的調(diào)速特性。 在直流調(diào)速系統(tǒng)中,須直接改 26、變電壓U;而在異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)中,它是通過改變式(7-16)第二項中的控制角 來實現(xiàn)的。,兩種轉速特性的比較(續(xù)),在串級調(diào)速系統(tǒng)中總電阻R 較大,系統(tǒng)的調(diào)速特性較軟;對于p0 的第二工作區(qū),計及p的影響,在同一逆變角下的電壓更小,相當于也發(fā)生變化,因而調(diào)速特性更軟。,4. 電磁轉矩方程,轉差功率 可以從轉子整流電路的功率傳遞關系入手,暫且忽略轉子銅耗,則轉子整流器的輸出功率就是電動機的轉差功率,,電磁轉矩公式,而電磁功率Pm=Ps/s,因此電磁轉矩為,,,(7-19),0理想空載機械角轉速rad/s ; CM串級調(diào)速系統(tǒng)的轉矩系數(shù),,式中,,因為,,,它也是電流Id 的函數(shù)。與式( 27、7-17)的電動勢系數(shù)CE 相比可知,CM和CE對Id 的關系是一樣的。由于0 =2n0 /60,所以,(7-20),可見,CM和CE的關系與直流他勵電動機中Cm 和 Ce的關系完全一致。,5. 串級調(diào)速的機械特性方程,當串級調(diào)速系統(tǒng)在第一工作區(qū)運行時,p=0,代入式(7-19),再令 dTe/dt=0,可求出電磁轉矩的計算最大值Te1m,經(jīng)過適當?shù)臄?shù)學推導,得第一工作區(qū)的機械特性方程式:,第一工作區(qū)的機械特性方程式,,(7-21),,,,,,,s1m=s1m-s10 在給定 值下,從理想空載到計算最大轉矩點的轉差率增量; s1=s-s10 在相應的 值下,由負載引起的轉差率增量;,式中,,s 28、10 相應 值下的理想空載轉差率; s1m 對應于計算最大轉矩Te1m的臨界轉差率:,,,,(7-22),,Te1m 系統(tǒng)在第一工作區(qū)的“計算最大轉矩”。 由于在異步電動機串級調(diào)速時,負載增大到一定程度,必然會出現(xiàn)轉子整流器的強迫延遲換相現(xiàn)象,也就是說,系統(tǒng)必然會進入第二工作區(qū)。而 Te1m 是在p= 0 的條件下由式(7-19)求得的,它只表示若系統(tǒng)能繼續(xù)保持第一工作狀態(tài)將會達到的最大轉矩。,第二工作區(qū)的機械特性方程式,,(7-23),,,,,,,,,,,,s2m=s2m-s20 計及強迫延時換相,對應于某一p 值時的轉差率增量; s2=s-s20 在給定 與p值下,由負載引起的轉差率增量 29、;,,式中,,s20相應 與p 值下的理想空載轉差率:,,,,,,(7-24),而,,注意: 在用式(7-23)計算第二工作區(qū)的一段機械特性時,等號左邊分母中仍用Te1m ,這是為了使第一、二工作區(qū)的機械特性計算公式盡量一致,不要誤解為第二工作區(qū)的最大轉矩就是Te1m ,它具有另外一個最大轉矩Te2m 。,幾種最大轉矩的關系和計算,從異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)可計算出額定轉矩TeN和正常運行時的最大轉矩Tem 。 對串級調(diào)速系統(tǒng)來說,有實用意義的是第一工作區(qū)的計算最大轉矩Te1m 和第二工作區(qū)真正的最大轉矩Te2m(可證明,Te2m 對應于p=15)。還有第一、二工作區(qū)交界的轉矩值,稱作交接轉矩Te1-2。,,按照上面的推導,可得,,,,,式(7-26)說明,異步電動機串級調(diào)速時所能產(chǎn)生的最大轉矩比正常接線時減少了17.3%,這在選用電機時必須注意。 另外,由式(7-27)可知,Te1-2 = 0.716 Tem,而異步電動機的轉矩過載能力一般大于2,即Tem 2TeN,所以當電動機在額定負載下工作時,還是處于第一工作區(qū)。,6. 異步電動機串級調(diào)速時的機械特性,圖7-11 異步電動機串級調(diào)速時的機械特性,
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