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文檔簡介

1、變頻技術(shù):共用直流母線技術(shù)變頻技術(shù) : 共用直流母線共用直流母線分為兩種 : 共用直流均衡母線和共用直流回路母線。共用直流均衡母線是將多臺變頻器的直流母線回路并聯(lián)在一起( 變頻器本身設(shè)計有外接的直流母線輸出端子 ) ,達(dá)到共用直流母線的方式。每臺變頻器和共用直流母線之間可以加裝電抗器、快速熔斷器和接觸器等,這一部分是變頻器以外的部分,電氣設(shè)計人員可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計。共用直流回路母線方式是將多臺逆變器連接到同一個公共的直流回路上。共用直流母線特點 :1 節(jié)能 : 電機(jī)制動時回饋的能量可以被利用,所以比較節(jié)能,特別是對油田磕頭機(jī)、起重機(jī)等升降設(shè)備而言更具有節(jié)能優(yōu)勢 ;2 設(shè)備功率因素較高 :

2、 因電機(jī)能夠回饋能量,無功功率損失小,所以設(shè)備功率因素較高,達(dá) 95%以上 ;3 瞬間停電不一定導(dǎo)致變頻器跳閘停機(jī): 這是因為一些設(shè)備在瞬間停電時可能正處于制動 ( 發(fā)電、回饋能量狀態(tài) ) ,所以瞬間停電干擾對設(shè)備的影響就沒有那么大;4 電網(wǎng)諧波較低 : 共用直流母線平衡了變頻器的直流母線電壓,設(shè)備啟動、停止時對電網(wǎng)的沖擊也低 ;5 可以急降速 : 不存在制動電阻消耗能量,因為電機(jī)在停機(jī)時成了發(fā)電機(jī),能量回饋到直流母線上了 ;6 允許頻繁起動操作 : 因為有共用直流母線的存在,設(shè)備啟動、停止時對電網(wǎng)和電氣設(shè)備的沖擊也減小了,因此允許頻繁起動操作 ;7 多臺變頻器不需相同的額定功率 : 各電機(jī)也

3、不需相同功率,但差別不要過大,最適合比例連動控制 ;8 可以驅(qū)動三相永磁同步電機(jī)。對于一般的系統(tǒng)集成商來說,采用的共用直流母線方式都是共用直流均衡母線方式。因為這種方式對于設(shè)計人員來說更加方便: 因為采用了成品變頻器,就比較容易設(shè)計外圍電路、功能強(qiáng)( 變頻器本身具有比較強(qiáng)的功能) 、采購方便、安裝 / 維修方便等。對于專業(yè)制造廠家或其他場合而言,可能用到共用直流回路母線方式要多一些。因為這種方式采用了1 個整流器和多個逆變器,成本更低。但功能相對較弱( 單獨的逆變器和變頻器相比,功能終究要弱一些) ,而且采購、安裝 / 維修可能也沒那么方便。下面詳細(xì)說明一下共用直流均衡母線和共用直流回路母線的

4、定義和異同點:共用直流均衡母線 : 下面是在施耐德 ATV71系列變頻器的直流母線應(yīng)用方式:幾個變頻器并聯(lián)連接在直流母線上 : 應(yīng)用時建議將幾個變頻器并聯(lián)連接在直流母線上,因為必須保證電機(jī)的全部功率。每個變頻器使用各自的充電電路。1在工業(yè)電氣傳動中,由于工藝和驅(qū)動設(shè)備的各種原因,再生能量的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,在能量回收系統(tǒng)中有著各種方法,下面提出一種通用變頻器在大型生產(chǎn)線中共直流母線方案,并闡述了其在離心機(jī)、化纖設(shè)備、造紙機(jī)上的進(jìn)一步應(yīng)用。在同一個電力拖動系統(tǒng)中的一個或多個傳動有時會發(fā)生從電機(jī)端發(fā)電得到的能量反饋到傳動的變頻器中來,這種現(xiàn)象叫“再生能量”。這種情況一般發(fā)生在電機(jī)被拖著走的時候 ( 也

5、就是被一個遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)定值的速度拖動的時候 ) ,或者是當(dāng)傳動電機(jī)發(fā)生制動以提供足夠的張力的時候 ( 如放卷系統(tǒng)中的傳動電機(jī) ) 。 傳統(tǒng)意義上的 PWM變頻器并沒有設(shè)計使再生能量反饋到三相電源的功能,因此所有變頻器從電機(jī)吸收的能量都會保存在電解電容中,最終導(dǎo)致變頻器中的母線電壓升高。如果變頻器配備制動單元和制動電阻,變頻器就可以通過短時間接通電阻,使電能以熱方式消耗掉。當(dāng)然只要充分考慮到制動時最大的電流容量、負(fù)載周期和消耗到制動電阻上的額定功率就可以來設(shè)計合適的制動單元,并以連續(xù)的方式消耗電能,最終能夠保持母線電壓的平衡。這種制動單元的工作方式其實就是消耗能量的一種。如果有多個傳動變頻器通過直

6、流母線互連的話,一個或多個電機(jī)產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電機(jī)以電動的方式消耗吸收了。這是一種非常有效的工作方式,即使有多個部位的電機(jī)一直處于連續(xù)發(fā)電狀態(tài),也不用再去考慮其他的處理再生能量的方式。在這種方式下,如果還需要一個更快剎車或緊急停止的狀態(tài)的話,那就需要再加上一個一定容量的制動單元和制動電阻以便在非常時刻起作用,當(dāng)然采用能量回饋裝置就可以充分地將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中來。通用變頻器共用直流母線的方案對于通用變頻器而言,采用共用直流母線很重要的一點就是在上電時必須充分考慮到變頻器的控制、傳動故障、負(fù)載特性和輸入主回路保護(hù)等。圖一所示為在其中一種應(yīng)用比較廣泛的方案。該方案包括

7、3 相進(jìn)線 ( 保持同一相位 ) 、直流母線、通用變頻器組、公共制動單元或能量回饋裝置和一些附屬元件。圖 通用變頻器共直流母線方案該方案特點 :(1) 使用一個完整的變頻器,而不是單純使用傳統(tǒng)意義上的整流橋加多個逆變器方案 ;(2) 不需要有分離的整流橋、充電單元、電容組和逆變器 ;(3) 每一個變頻器都可以單獨從直流母線中分離出來而不影響其他系統(tǒng);(4) 通過連鎖接觸器來控制變頻器的 DC到共用母線的聯(lián)絡(luò) ;(5) 快熔來保護(hù)掛在直流母線上的變頻器的電容單元 ;(6) 所有掛在母線上的變頻器必須使用同一個三相電源。圖中 QF是每個變頻器的進(jìn)線保護(hù)裝置,它應(yīng)該采用帶輔助觸點的空氣開關(guān),這主要是

8、因為直流接觸器MC的接通必須同時滿足QF的輔助觸點閉合和變頻器運行狀態(tài)正常這兩個條件,否則MC就斷開。 LR 為進(jìn)線電抗器,由于實際工作現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境往往會導(dǎo)致電網(wǎng)的波動并產(chǎn)生高次諧波,使用進(jìn)線電抗器就2能有效地避免這些因素對變頻器的影響,也可用于增加電源阻抗并幫助吸收附近設(shè)備投入工作時產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰,從而最終保護(hù)變頻器的整流單元。 LR的選型原則可選用與變頻器同功率的即可。為確保變頻器上電后順利地掛上DC母線,或是在變頻器故障后快速地與DC母線斷開以進(jìn)一步縮小變頻器故障范圍,使用在該場合的變頻器必須要有信號24VDC或干觸點信號輸出,其輸出信號至少包括:(1)READY 信

9、號 : 該信號輸出有效則表示變頻器無故障,母線電壓正常,可以接受啟動命令;(2)FAULT 信號 : 該信號輸出表示變頻器故障。FU為半導(dǎo)體快速熔斷器,額定電壓通??蛇x700VDC,如 Bussman的 FWP系列或 Gouldshawmut的 A70P系列,額定電流必須考慮到驅(qū)動電機(jī)在電動或制動時的最大能量,一般情況下可以額定負(fù)載的 125%電流即可。MC為 2P直流接觸器,如 ABB的 EHDB系列,額定電壓 650VDC,其額定電流同樣須根據(jù)驅(qū)動電機(jī)制動時的最大電流來定,一般情況下可以選額定負(fù)載的120%電流。用直流母線的應(yīng)用通用變頻器的共用直流母線方案目前已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域的很多機(jī)械設(shè)備上

10、得到廣泛應(yīng)用,不僅整機(jī) ( 設(shè)備加電氣 ) 故障率低,而且能最大程度地節(jié)能,更具有環(huán)保的意義。1 離心機(jī)臥螺離心機(jī)用雙電機(jī)驅(qū)動( 如圖下所示 ) ,與主動件相連的電機(jī)處于電動機(jī)工作狀態(tài)為主電機(jī),與從動件相連的電機(jī)由于轉(zhuǎn)鼓差速的作用始終處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的為副電機(jī)。該傳動方式早在60 年代已應(yīng)用于實驗室,但這種傳動方式幾十年來沒有在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用,究其原因: 關(guān)鍵在于副電機(jī)再生的電能在當(dāng)初的技術(shù)條件下不能合理利用。所以大多數(shù)情況下,臥螺離心機(jī)的副電機(jī)都被取消,而安裝了渦流制動器。圖 共用直流母線方案在離心機(jī)上的應(yīng)用隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展, ,近年來變頻器的性能價格比大大提高,母線共連的方案也

11、日趨成熟,國內(nèi)有很多離心機(jī)廠家都在探索雙電機(jī)雙變頻器的驅(qū)動方案,目前南京綠洲機(jī)器廠、海申機(jī)械總廠等在臥螺離心機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用了雙變頻方案。在該方案中,主、副電機(jī)各用一臺普通變頻器驅(qū),直流母線用適當(dāng)?shù)姆绞讲⒔?,較好的解決副電機(jī)持續(xù)發(fā)電的問題。它的應(yīng)用,在能源日益緊缺的今天,有著特別重要的意義。2 化纖后紡設(shè)備化纖后紡設(shè)備通常包括四個主要的傳動電機(jī),既一道、二道、三道牽伸和卷曲,它們需要同步運行。在同步時,一道牽伸M1和二道牽伸 M2為保持一定牽伸比必須處于發(fā)電狀態(tài),而三道牽伸M3和卷曲 M4則處于電動狀態(tài)。由于M1和 M2發(fā)電是由于 3 道牽伸的電動所引起的,該2 臺電機(jī)所產(chǎn)生的回饋能量足以消耗到

12、處于電動狀態(tài)下的 M3和 M4中,而不會引起直流回路母線電壓的升高,這樣通過圖三接線就可以基本上解決再生能量的制動問題,從而使系統(tǒng)始終處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。圖三的接線中,能量傳遞的公式為:P0=P3 + P4 - P1 - P2。很顯然,母線共連方案將大大降低能量損耗。3圖 共用直流母線方案在化纖設(shè)備上的應(yīng)用化纖后紡設(shè)備采用共用直流母線的控制方式,具有以下特點:a. 共用直流母線可以大大減少制動單元的重復(fù)配置,結(jié)構(gòu)簡單合理,經(jīng)濟(jì)可靠。b. 共用直流母線的中間直流電壓恒定,電容并聯(lián)儲能容量大;c.各電動機(jī)工作在不同狀態(tài)下,能量回饋互補,優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)特性;3 造紙機(jī)在紙機(jī)上要用到很多導(dǎo)紙輥傳動電

13、機(jī),由于導(dǎo)紙輥經(jīng)常會工作在制動狀態(tài),這時就必須考慮到再生能量的問題,如果對于每個傳動配置一個制動單元或能量回饋裝置,就會造成系統(tǒng)復(fù)雜。如果采用母線共連的方式就可以統(tǒng)一將導(dǎo)紙輥上產(chǎn)生的能量進(jìn)行互補,并接入到單一的能量回饋裝置,如下圖所示。圖 共用直流母線方案在造紙機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)具有以下特點 :(1) 共用的直流母線采用銅排連接 ;(2) 各單機(jī)變頻器與共用直流母線通過連接模塊如MC和 FU進(jìn)行聯(lián)絡(luò) ;4(3) 再生能量回饋裝置采用德國 Siemens 直流調(diào)速的整流器 6RA24系列 ;(4) 通過整流器后的交流電再利用隔離變壓器與交流電網(wǎng)相連,采用 6RA24系列整流器后,回饋的交流電為 AC

14、500V,必須采用 500/400 的隔離變壓器 ;(5) 將控制整流器 6RA24的系統(tǒng)融合到多電機(jī)傳動控制系統(tǒng)和過程控制 PLC系統(tǒng)中去,這樣可以保證對整流器的實時投運監(jiān)控,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對在同一個系統(tǒng)中的一個或多個傳動發(fā)生再生能量情況而提出的共用直流母線方案,該方案已經(jīng)在很多行業(yè)如離心機(jī)、化纖設(shè)備、造紙機(jī)等設(shè)備被證實是有效和可靠的。共用直流均衡母線技術(shù)的基本要求:1、變頻器需共享整流裝置,此整流裝置為共用直流母線專用裝置。2、變頻器盡量安裝在一起,避免遠(yuǎn)距離配線,最好在同一個電氣房。3、變頻器每一臺都必須另外作隔離保護(hù)裝置。4、不能使用一般變頻器作共用直流母線使用, 否則會有炸機(jī)的

15、危險。5、電機(jī)的容量功率可以不必相同,但必須考慮停機(jī)時能量反饋能否被用掉。6、一般運轉(zhuǎn)臺數(shù)在412 臺( 電機(jī)功率可以不相同 ) 一組共用直流母線為佳。7、部分變頻器可以驅(qū)動永磁同步電機(jī),解決起動的沖擊問題。共用直流回路母線方式 :論文 : 公共直流母線技術(shù)的研究與應(yīng)用【專家】從公共直流母線系統(tǒng)的組成和應(yīng)用的角度,闡述公共直流母線技術(shù)應(yīng)用于多電機(jī)傳動系統(tǒng)中,在取得較高的調(diào)速精度的同時,將系統(tǒng)在制動過程中產(chǎn)生的再生能源加以合理利用和能量回收,從而取得良好的節(jié)能效果。經(jīng)過大量實際工作得出以上結(jié)論,在變頻器調(diào)速系統(tǒng)中,如果有多臺變頻器同時工作時,可采用公共直流母線技術(shù),此技術(shù)在西門子工控變頻中應(yīng)用比

16、較多,但在其他品牌得變頻器卻應(yīng)用的很少。此種連接方式可以更高地利用由于變頻制動所產(chǎn)生的無功功率,是一種比較理想的應(yīng)用方法,同時對于其他的變頻器調(diào)速控制精度,提供了高品質(zhì)的直流電源。作者預(yù)測,公共直流母線技術(shù)具有較好的應(yīng)用推廣前景,事實也是如此?!咀髡摺?: 河北唐山建龍實業(yè)有限公司簡舟熱軋廠主要產(chǎn)品是700MM熱軋帶鋼 ,軋線三電控制系統(tǒng)為北京科技大學(xué)麥思科自動化有限公司設(shè)計制造, 該軋線粗軋機(jī)為 5500KW直流電機(jī) ; 機(jī)前機(jī)后鋼坯輸送輥道控制系統(tǒng)采用公用直流母線技術(shù) , 采用整流回饋控制裝置集中供直流電源 , 由變頻器逆變成交流電驅(qū)動電機(jī)。此項技術(shù)按目前控制說屬于技術(shù)成熟方案。但我單位故

17、障較多,集中體現(xiàn)在如下幾點:1( 電網(wǎng)有大范圍波動時,就會出現(xiàn)可控硅擊穿現(xiàn)象,可控硅更換耽誤生產(chǎn)時間為 1 小時左右。2( 現(xiàn)場電機(jī)出現(xiàn)接地短路現(xiàn)象時,有時也會沖擊整流回饋裝置,造成故障停機(jī)。3( 北科麥思科設(shè)計的同規(guī)模軋鋼線全部存在相同故障隱患,北科拿不出徹底解決方案。借予以上幾點,我公司領(lǐng)導(dǎo)相當(dāng)鬧心,其他兄弟單位紛紛與我廠探討解決方案,經(jīng)過查閱資料,采納多方信息。該問題于今年5 月份徹底解決。因同規(guī)模生產(chǎn)線存在相同故障隱患,為了進(jìn)一步得到技術(shù)推廣,提高同行業(yè)技術(shù)水平,特撰寫此論文,并發(fā)布于工控網(wǎng),希望大家共同學(xué)習(xí)研究。5【摘 要】介紹了公共直流母線系統(tǒng)的組成和應(yīng)用。公共直流母線技術(shù)越來越廣

18、泛地應(yīng)用于多電機(jī)傳動系統(tǒng)中,在獲得高精度調(diào)速系統(tǒng)的同時,將系統(tǒng)在制動過程中產(chǎn)生的再生能源加以合理利用和能量回收,取得較好的節(jié)能效果?!娟P(guān)鍵詞】公共直流母線技術(shù)整流 / 回饋 逆變器 多電機(jī)傳動公共直流母線技術(shù)是在多電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中,采用單獨的整流/ 回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電源,調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時,逆變器從母線上獲取電能; 當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時,能量通過母線及回饋裝置直接回饋給電網(wǎng),以達(dá)到節(jié)能、提高設(shè)備運行可靠性、減少設(shè)備維護(hù)量和設(shè)備占地面積等目的。1、公共直流母線控制系統(tǒng)的組成公共直流母線控制系統(tǒng)通常由整流/ 回饋單元、公共直流母線、逆變單元

19、等組成?;仞亞卧煞譃橥ㄟ^自耦變壓器的能量回饋和不通過自耦變壓器的能量回饋兩種方式。通過自耦變壓器的能量回饋可提高回饋支路中的電源電壓,目的是在能量回饋過程中不必降低中間回路電壓,使得逆變器能夠獲得一個較恒穩(wěn)的直流電源;不通過自耦變壓器的能量回饋實際上是保持系統(tǒng)一直處在回饋狀態(tài),在整流過程中依靠持續(xù)降低具有相角控制的中間回路的電壓來實現(xiàn)。1.1整流 / 回饋裝置整流 / 回饋單元把交流電源轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的直流電源,即使在逆變器能量回饋到電網(wǎng)時,該電壓在規(guī)定范圍內(nèi)仍保持恒定。整流/ 回饋單元的功率部分一般由2 個反并聯(lián)晶閘管橋組成,可在輸入端電網(wǎng)和逆變器中間回路之間整流和回饋。1.2 逆變器逆變

20、單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源,以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目的。逆變器系統(tǒng)的原理框圖如圖所示。圖 逆變器系統(tǒng)原理圖2、公共直流母線系統(tǒng)的應(yīng)用濟(jì)鋼三軸滾切式雙邊剪設(shè)計交流調(diào)速電機(jī)74 臺,分別由 20 套調(diào)速裝置控制。其中雙邊剪剪切區(qū)共有67 臺交流電機(jī), 1 臺激光劃線定位用電機(jī)、6 臺磁力對中定位電機(jī)。這些電機(jī)均要求工作在頻繁起制動狀態(tài),且具有良好的調(diào)速性能和調(diào)速精度,對定位精度有嚴(yán)格的工藝控制。2.1方案的產(chǎn)生根據(jù)雙邊剪生產(chǎn)工藝的要求,剪切區(qū)輥道擔(dān)負(fù)著輸送鋼板和控制剪切步長的任務(wù),這就要求輥道電機(jī)的工作特性要與夾送輥的工作特性保持一致,具有相同的加速度和線速度。其工作曲線

21、如圖所示6圖 輥道工作狀態(tài)示意圖由輥道電機(jī)的工作曲線可以看出,輥道電機(jī)始終工作在啟動、制動狀態(tài),若雙邊剪的剪切次數(shù)為24 次/ 分,步長設(shè)為 1.3 米,那么 t3=2.5 秒, t2=1.39 秒, t2為鋼板運動一個步長所需的時間,那么,系統(tǒng)的制動占空比為:D=t2/2t3=0.278=27.8%。因此,輥道屬頻繁起、制動工況,恒力矩負(fù)載,并有不規(guī)則的負(fù)載沖擊,制動占空比D 可高達(dá) 27%,對調(diào)速裝置提出了較高的制動要求。眾所周知,轉(zhuǎn)差矢量控制技術(shù)很好的解決了調(diào)速低頻段電機(jī)的力矩和寬范圍快速調(diào)節(jié)電機(jī)力矩的問題,而且 VVVF電壓型逆變器很適合多機(jī)拖動系統(tǒng)。在輥道傳送鋼板時,負(fù)載慣性大,制動

22、時,從電機(jī)大量反饋回直流環(huán)節(jié)的能量將抬高直流環(huán)節(jié)電壓。處理反饋能量的方法有許多中,最理想的是把電機(jī)能量反饋回電網(wǎng),這種系統(tǒng)不但性能好、運行效率很高,而且運行經(jīng)濟(jì)節(jié)能、系統(tǒng)技術(shù)含量高、運行穩(wěn)定、維護(hù)量大大減小。鑒于以上原因,雙邊剪剪切區(qū)輥道電機(jī)傳動系統(tǒng)采用西門子公司公共直流母線技術(shù),由一套整流 / 回饋單元給公共直流母線供電,所有逆變器均掛接在直流母線上,構(gòu)成一個公共直流母線調(diào)速系統(tǒng)。2.2系統(tǒng)組成由于剪切區(qū)輥道電機(jī)較多,根據(jù)其工藝控制要求,將電機(jī)分組控制,以簡化系統(tǒng)配置和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。剪前區(qū)輥道分為三組七段,每段有五臺電機(jī)組成,每段由一臺逆變裝置驅(qū)動 ; 剪后區(qū)輥道分為三組六段,前兩組每段由五臺電

23、機(jī)組成,第三組每段由六臺電機(jī)組成,每段由一臺逆變裝置驅(qū)動。磁力對中裝置每臺電機(jī)由一臺逆變器驅(qū)動 ; 激光劃線裝置由一臺逆變器驅(qū)動。系統(tǒng)配置圖所示 :圖 公共直流母線系統(tǒng)配置圖整流回饋單元采用通過自耦變壓器的能量反饋方式。在回饋橋和電網(wǎng)間通過自耦變壓器將回饋橋的輸入電壓升高 20%,以實現(xiàn)沒有電壓降的回饋?;仞仒蛏蠜]有較高電壓時,中間回路電壓通過相位角變化進(jìn)行調(diào)整,中間回路電壓由一個帶微處理器的數(shù)字調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)。逆變器由中間回路直流電壓利用脈沖寬度調(diào)制方法 (PWM)生成一個交流變頻系統(tǒng),裝置由內(nèi)部閉環(huán)電子線路控制,功能由裝置軟件提供,采用無速度傳感器的矢量控制模式。速度給定信號由 PLC運算后通過 DP網(wǎng)傳給每套驅(qū)動裝置,增加了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度及系統(tǒng)的抗干擾能力。2.3系統(tǒng)的優(yōu)點公共直流母線系統(tǒng)是解決多電機(jī)傳動技術(shù)的最優(yōu)方案,很好地解決了多電機(jī)間電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾。在同一系7統(tǒng)中,同一時刻不同裝置可工作在不同的狀態(tài),整流回饋單元保證了公共直流母線電壓的穩(wěn)定供給,又將多余的能量回饋給電網(wǎng),實現(xiàn)

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