电压源型PWM逆变器在当前的工业控制中应用越来越广泛，在其应用领域中，交流电动机的运动控制是其很重要的组成部分。在PWM逆变器的控制过程中，设置死区是为了避免逆变器的同一桥臂的两个功率开关器件发生直通短路。尽管死区时间很短，然而当开关频率很高或输出电压很低时，死区将使逆变器输出电压波形发生很大畸变，进而导致电动机的电流发生畸变，电机附加损耗增加，转矩脉动加大，最终导致系统的控制性能降低，甚至可能导致系统不稳定。为此，需要对逆变器的死区进行补偿。本文针对连续空间矢量调制提出了一种改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法；针对断续空间矢量调制提出了通过改变空间矢量作用时间，来改变驱动信号脉冲宽度的补偿方法，并对这两种方法进行了理论分析和仿真研究。 本文首先详细分析了死区时间对逆变器输出电压和电流的影响，以及功率开关器件寄生电容对输出电压的影响。其次对已提出的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法进行了理论分析，该方法先计算出补偿电压，再对由零电流钳位现象引起的补偿电压极性错误进行校正，极性校正的参考量为d轴补偿电压的幅值，然而补偿电压的大小随电流的变化而变化，因此该方法存在电压极性校正时参考量为变化量的缺点，而且该方法只适用于id=0的控制方式，适用性较差。针对这些问题，本文提出了改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的补偿方法，改进后的方法是先对由零电流钳位现象引起的电流极性错误进行校正，然后再计算补偿电压的大小，电流极性校正时的参考量为三相电流极性函数转化到γ-坐标系的函数sγ的幅值，sγ的幅值与补偿电压大小无关为恒定值，而且适用于任何控制方式，适应性强。再次把改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法应用到PMSM矢量控制系统中，采用MATLAB和Pspice两种方法进行了仿真研究，仿真结果验证了补偿方法的有效性。对两种仿真结果的对比分析，表明PSpice模型能更好的模拟逆变器的非线性特性。 最后，文章分析了连续空间矢量调制和断续空间矢量调制的输出波形的区别和死区对两种波形影响的不同。针对DSP芯片TMS320LF2407A硬件产生的断续SVPWM波，提出了根据电压矢量和电流矢量的相位关系，通过改变空间矢量作用时间，来改变驱动信号脉冲宽度，对其进行死区补偿的方法。给出了基本空间矢量作用时间调整的实现方法，并建立了MATLAB仿真模型，进行仿真研究，仿真结果验证了补偿方法的正确性和有效性。
上传时间： 2013-06-04
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随着电力电子技术的迅速发展和推广应用，利用计算机仿真对电力电子电路进行分析和研究得到了日益广泛的重视。尽管目前一些仿真软件都有比较强大的功能，可以利用它们来完成某些电力电子装置的某些分析工作，但是由于器件模型的限制和电力电子装置负载的复杂性，使得这些软件并不能完成对于电力电子装置所要进行的所有分析要求，特别是当其被用于电力电子装置故障运行的仿真。针对上述问题，本论文在研究器件建模方法和装置仿真方法的基础上，运用C++语言开发了一个可专门用于电力电子装置仿真分析的程序。 本课题首先对于各种电力电子器件进行建模。在对各种元器件特性深入研究的基础上利用已知的电路原理和建模方法，抓住各具体电力电子器件的主要特征，建立其电路及逻辑仿真模型。由于本论文中研究的是电力电子装置作为一个整体的特性，所以在对器件电路模型的建模过程采用高层次的电路模型，即理想开关模型和双极性电阻模型。器件的逻辑模型则是通过皮特里网络来实现，根据仿真的目的可建立不同精细程度的逻辑模型。因为器件逻辑模型的建模过程中采取的逐步细化的原则与面向对象程序设计中自顶而下，逐步求精的思想不谋而合，所以在仿真程序中采用C++语言对所建立的器件模型进行描述。 针对电力电子装置的非线性，病态特性和其负载的复杂性，使用阶段仿真的思想进行程序设计。确定了仿真程序的总体结构，并实现了程序的模块化设计。利用通用的状态变化检测模块和兼容性检测模块在程序中确定电路结构发生变化的精确时刻，它们独立于具体的电路结构。状态方程模块和输出方程模块虽然与具体的电路结构相关，但是亦可将其设计为模块的形式，针对不同的电路结构仅需改变模块中对于状态方程和输出方程的描述。鉴于数值计算方法对于仿真结果的重要性，本论文中讨论了几种数值积分方法的特点及适用范围，并在程序用编写了几种常用的算法，以供用户选择。通过对于瓦格纳斩波器、三相全控整流桥和三相半控整流桥的仿真验证仿真程序的正确性和实用性。
上传时间： 2013-07-16
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与传统的径向磁通圆柱式电机相比，轴向磁通的盘式无铁心永磁同步电机有着许多明显的优点：其结构较为简单，加工及装配费用低，电机运行可靠，不需励磁电流，提高了电机的效率和功率密度。盘式电机永磁化是一种发展趋势，而稀土材料是其首选的永磁材料。我国已研制出盘式永磁同步电机，但还处于试制阶段，要实现产品化，还有许多研究课题亟待解决。 本文主要针对该电机的气隙磁密进行分析，对影响气隙磁密的各种因素展开了研究。具体内容如下： 1) 回顾了永磁电机的研究历史、发展现状和主要应用，对永磁材料的性能及选取、聚磁技术、电机磁场计算所需理论和有限元软件进行了介绍。 2) 将电机内的电磁场、有限元软件和盘式无铁心永磁电机特殊结构相结合，设计出了近二十个有限元计算程序，组成一个针对盘式无铁心永磁同步电机的计算软件包，由这些计算程序出发，对盘式无铁心永磁同步电机进行一系列仿真分析计算。 在绘制气隙磁密三维分布图时，由于有限元软件在绘图方面的限制，需要将气隙磁密数据从有限元软件中导出到文本文件，再由其它数学工具进行气隙磁密的三维图形绘制。在这一过程中由于导出数据格式与绘图工具所需数据格式不能兼容，还需要对导出数据进行处理。由于有限元软件导出的数据量很大，如果对这些数据进行人工整理将增加大量的工作量，所以作者在研究过程中，针对导出数据的特点编写了一个Vb数据处理程序，使数据处理工作得到大大简化。 3) 在上述建立的软件包的基础上，对基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机进行了一系列系统分析，其中包括三维开域磁场分析、永磁体厚度对电机气隙磁密的影响及分析、永磁体宽度变化时气隙磁场分析、采用不同角度Halbach阵列时的气隙磁密分析、不同半径处气隙磁密分析，为在电机设计过程中永磁体的设计提供了依据。 4) 在对盘式无铁心永磁同步电机磁场进行详尽的分析的基础之上，本文提出了对该电机的新设计方案，并就此方案进行了建模分析，结果表明，此新方案所得到的气隙磁密比原结构的气隙磁密更为理想。此外，还对新模型从定性的角度进行了涡流损耗分析，分析表明其结构有利于减小涡流损耗。
上传时间： 2013-04-24
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高速电机由于转速高、体积小、功率密度高，在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单，因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点，其主要问题在于：（1）转子机械强度和转子动力学；（2）转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗；通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括： 一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于2极3槽集中绕组、2极6槽分布叠绕组和2极6槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比，利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗，通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明：3槽集中绕组结构的电机中含有2次、4次等偶数次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响，在空载和负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小，转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑，2极6槽的定子结构优于2极3槽结构。 二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量，其中5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转，11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转，这些谐波分量与转子异步，在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响，分析表明：永磁体的分块数和透入深度有关，对于本文设计的高速永磁无刷直流电机，当永磁体分块数大于12时，永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度，在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明：尽管铜环中会产生涡流损耗，但正是由于铜环良好的导电性，其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降，整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响，研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小，当铜环的厚度达到6次时间谐波的透入深度时，转子损耗减小到最小。 三、对于给定的电机尺寸，设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机，通过研究表明：电感越大，电流变化越平缓，电流的谐波分量越低，转子涡流损耗越小，因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。 四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响，结果表明：平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子：单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析，实验研究表明：由于转子设计不合理，单端式轴承支撑结构的转子转速达到40，000rpm以上时，保护环和定子齿部发生了摩擦，破坏了转子动平衡，导致电机运行失败，而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。对比研究了PWM电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响，研究表明：铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗，使转子损耗减小到不加铜屏蔽环时的1/2；斩波控制会引入高频电流谐波分量，使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法，得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升，有限元分析和实验计算结果基本吻合，验证了铜屏蔽环的有效性。
上传时间： 2013-05-18
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电子式互感器与传统电磁式互感器相比，在带宽、绝缘和成本等方面具有优势，因而代表了高电压等级电力系统中电流和电压测量的一种极具吸引力的发展方向。随着信息技术的发展和电力市场中竞争机制的形成，电子式互感器成为人们研究的热点；越来越多的新技术被引入到电子式互感器设计中，以提高其工作可靠性，降低运行总成本，减小对生态环境的压力。本文围绕电子式互感器实用化中的关键技术而展开理论与实验研究，具体包括新型传感器、双传感器的数据融合算法、数字接口、组合式电源、低功耗技术和自监测功能的实现等。 目前电子式电流互感器(ECT)大多数采用单传感器开环结构，对每个环节的精度和可靠性的要求都很高，严重制约了ECT整体性能的提高，影响其实用化。本文介绍了新型传感器～铁心线圈式低功率电流传感器(LPET)和印刷电路板(PCB)空心线圈及其数字积分器，在此基础上设计了一种基于LPCT和PCB空心线圈的组合结构的新型电流传感器。该结构具有并联的特点，结合了这两种互感器的优点，采用数据融合算法来处理两路信号，实现高精度测量和提高系统可靠性，并探索出辨别LPET饱和的新方法。试验和仿真结果表明，这种新型电流传感器可以覆盖较大的电流测量范围，达到IEC 60044-8标准中关于测量(幅值误差)、保护(复合误差)和暂态响应(峰值)的准确度要求，能够作为多用途电流传感器使用。 在电子式电压互感器方面，基于精密电阻分压器的新型传感器在原理、结构和输出信号等方面与传统的电压互感器有很大不同，本文设计了一种可替代10kV电磁式电压互感器的精密电阻分压器。通过试验研究与计算分析，得出其性能主要受电阻特性和杂散电容的影响，并给出了减小其误差的方法。测试结果表明，设计的10kV精密电阻分压器的准确度满足IEC 60044-7标准要求，可达0.2级。 电子式互感器的关键技术之一是内部的数字化以及其标准化接口，本文以10kV组合型电子式互感器为对象设计了一种实用化的数字系统。以精密电阻分压器作为电压传感器，电流传感器则采用基于数据融合算法的LPCT和PCB空心线圈的组合结构。本文首先解决了互感器间的同步与传感器间的内部同步问题，进而依照IEC61850-9-1标准，实现了组合型电子式互感器的100M以太网接口。 电子式电流互感器在高电压等级的应用研究中，ECT高压侧的电源问题是关键技术之一。论文首先分析了两种电源方案：取电CT电源和激光电源。取电CT电源通过一个特制的电流互感器(取电CT)，直接从高压侧母线电流中获取电能。在取电CT和整流桥之间设计一个串联电感，大大降低了施加在整流桥上的的感应电压并限制了取电CT的输出电流，起到了稳定电压和保护后续电路的作用。激光电源方案以先进的光电转换器、半导体激光二极管和光纤为基础，单独一根上行光纤同时完成供能和控制信号的传输，在不影响光供能稳定性的情况下，数据通信完成在短暂的供能间隔中。在高电位端控制信号通过在能量变换电路中增加一个比较器电路被提取出来。本文还提出了一种将两种供能方式结合使用的组合电源，并设计了这两种电源之间的切换方法，解决了取电CT电源的死区问题，延长了激光器的使用寿命。作为综合应用实例，设计并完成了以LPCT为传感器、由组合电源供能、采用低功耗技术的高压电子式电流互感器。互感器高压侧的一次转换器能够提供两路传感器数据通道，并且具有温度补偿和采集通道的自校正功能，在更宽温度、更大电流范围内保证了极高的测量精度：互感器低电位端的二次转换器具有数字和模拟接口，可以接收数据并发送命令来控制一次转换器，包括同步和校正命令在内的数据信号可以通过同一根供能光纤传送到一次转换器。该互感器具有在线监测功能，这种预防性维护和自检测功能够提示维护或提出警告，提高了可靠性。系统测试表明：具有低功耗光纤发射驱动电路的一次转换器平均功耗在40mw以下：上行光纤中通信波特率可以达到200kb/s，下行光纤中更是高达2Mb/s；系统准确度同时满足IEC6044-8标准对0.2S级测量和5TPE级保护电子式互感器的要求。
上传时间： 2013-06-09
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在伺服系统中，为了实现高精度的控制，往往需要实时地检测出电动机转子的位置。用来检测电动机转子位置的角度传感器主要有光电编码器和旋转变压器。光电编码器虽然能够达到很高的精度，但是它的抗干扰性差，不宜应用在条件恶劣的场合中；相比较而言，旋转变压器（简称旋变）由于结构简单，坚固耐用，抗干扰性强，能够应用在各种条件恶劣的场合中，所以获得了越来越广泛的应用。 本文采用的旋变样机是一种新型的磁阻式旋转变压器。分析了它的定转子结构、定子绕组的连接方式以及转子形状的优化；并在此基础上，推导出了它的正余弦输出反电势的表达式；最后在电磁场分析软件Ansoft中，以样机为原型建立了仿真模型，分析了它内部的电磁场分布以及正余弦输出反电势的波形。 其次，本文设计了一种以DSP为核心的R2D电路系统。它以振荡电路产生的正弦波电压信号作为旋变的激励信号，加上相关的外围电路，构成了旋转变压器一数字转换器，解算出了旋变的轴角θ；并在此基础上，分析了产生角度解算误差的各种因素，同时计算出了旋变的转速n。 最后，在上述解算方案的基础上，本文又给出了第二种解算方案，即：DSP产生的方波经过滤波之后作为旋变的激励信号，解算出了旋变的轴角θ；然后比较了这两种解算方案的优缺点，重点分析了激励信号中的谐波分量对正余弦输出反电势以及角度解算的影响。
上传时间： 2013-04-24
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上传时间： 2013-06-14
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永磁同步电动机交流伺服系统作为交流伺服系统的主流，在工业生产自动化领域中应用广泛、前景广阔。永磁同步伺服电动机作为伺服系统的执行机构，其性能的优劣在很大程度上决定了整个伺服系统的性能。因此，精心设计性能优异的永磁同步伺服电动机具有重要的理论意义和应用价值。本课题系统研究了永磁同步伺服电动机的本体设计，包括设计方法、性能计算、有限元分析、参数计算、控制仿真、实验测试等。 首先，综述和分析了永磁同步伺服电动机的研究现状、存在问题和发展前景，研究了永磁同步伺服电动机的设计特点和方法。开发了永磁同步伺服电动机的电磁计算程序，结合有限元计算数值的校正，完成对样机的性能计算，计算结果较为准确。 接着，深入分析永磁同步伺服电动机的气隙磁场，得到充磁方式、极弧系数、不均匀气隙、永磁体厚度等因素对气隙磁场的影响，绘制了各因素对气隙磁场基波和谐波总量影响的曲线，通过优化设计，得到了明显改善的正弦气隙磁场。并拓展研究总结了不同永磁体形状和尺寸对永磁直流电动机在换向和性能上的影响，取得有实用价值的研究成果。 然后，基于Ansoft、MagNet电磁分析软件建立了永磁同步伺服电动机的有限元分析模型，深入研究了电机的反电势波形、稳态运行性能和齿槽转矩，计算了直、交轴同步电抗等重要参数。建立了永磁同步伺服电动机Id=0控制的Matlab/simulink仿真模型，并进行了仿真研究。 最后，对永磁同步伺服电动机进行了实验测试和分析，包括反电势波形与磁场波形测试、性能曲线测试、直交轴同步电抗的测量。对测试结果与设计结果进行了比较分析，验证了设计方法的正确性。
上传时间： 2013-08-04
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微机电系统（MEMS）器件的构成涉及微电子、微机械、微动力、微热力、微流体学、材料、物理、化学、生物等多个领域，形成了多能量域并交叉耦合。为其产品的建模、仿真以及优化设计带来了较大的难度。由于静电驱动的原理简单使其成为MEMS器件中机械动作的主要来源。而梳齿结构在MEMS器件中有广泛的应用：微谐振器、微机械加速度计、微机械陀螺仪、微镜、微镊、微泵等。所以做为MEMS的重要驱动方式和结构形式，静电驱动梳齿结构MEMS器件的耦合场仿真分析以及优化设计对MEMS的开发具有很重要的意义。本课题的研究对静电驱动梳齿结构MEMS器件的设计具有较大的理论研究意义。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1、采用降阶宏建模技术快速求解静电梳齿驱动器静电－结构耦合问题，降阶建模被用于表示微谐振器的静态动态特性。论文采用降阶建模方法详细分析了静电梳齿驱动器的各参数对所产生静电力以及驱动位移的关系；并对静电梳齿驱动器梳齿电容结构的静电场进行分析和模拟，深入讨论了边缘效应的影响；还对微谐振器动态特性的各个模态进行仿真分析，并计算分析了前六阶模态的频率和谐振幅值。仿真结果表明降阶建模方法能够快速、准确地实现多耦合域的求解。 2、从系统角度出发考虑了各个子系统对叉指式微机械陀螺仪特性的影响，系统详细地分析了与叉指状微机械陀螺仪性能指标－灵敏度密切相关的结构特性、电子电路、加工工艺和空气阻尼，并在此分析的基础上建立了陀螺的统一多学科优化模型并对其进行多学科优化设计。将遗传算法和差分进化算法的全局寻优与陀螺仪系统级优化相结合，证实了遗传算法和差分进化算法在MEMS系统级优化中的可行性，并比较遗传算法和差分进化算法的优化结果，差分进化算法的优化结果较大地改善了器件的性能。 3、从系统角度出发考虑了各个子系统对梳齿式微加速度计特性的影响，在对梳齿式微加速度计各个学科的设计要素进行分析的基础上，对各个子系统分别建立相对独立的优化模型，采用差分进化算法和多目标遗传算法对其进行优化设计。证实了差分进化算法和多目标遗传算法对多个子系统耦合的系统级优化的可行性，并比较了将多目标转换为单目标进行优化和采用多目标进行优化的区别和结果，优化结果使器件的性能得到了改善。
上传时间： 2013-05-15
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现代轧钢机的机组容量日益增大，其有功、无功负荷变动异常剧烈。由于大部分设备供电多半采用晶闸管整流装置，使电网中谐波增大，功率因数降低，出现较大的电压波动。因此研究轧钢厂供电系统电能质量的基本内容—无功补偿与谐波抑制，对提高企业供电可靠性、降低损耗、提高用电设备出力等具有重要意义。由于通用的电力分析软件不具备设计功能，因此有必要开发一套无功补偿装置设计和电能质量分析的专业软件。 该文详细分析了轧钢供电系统各个谐波源产生的谐波特点和功率因数特点，研究了广泛应用于轧钢供电系统的TCR+FC型静止无功补偿装置的补偿特性和结构特点。以此为理论基础，从软件工程的角度，开发了一套动态补偿仿真软件，其中包括人机交互界面、电力模型和运算模型等。人机交互界面是用户与软件的接口，而电力模型和运算模型是内置在软件内，对用户不可见。用户在界面上输入系统参数，通过界面调用运算模型可以自动地设计TCR+FC型静止无功补偿装置的各滤波支路和TCR支路的电路参数，除此之外，通过界面调用电力模型，用户可以从界面上读取该系统补偿前后的电能质量。 因此，该软件既是一个设计软件，又是分析软件，不仅能设计静止无功补偿装置的各支路具体电路参数，为实际轧钢系统的静止无功补偿装置的设计提供理论参考，还能对系统投入SVC前后的电能质量的变化做出详细的对比分析。 最后，以科学研究领域广泛应用的PSCAD/EMTDC软件为测试工具，在其中建立相应的电力模型。通过比较在两个软件中仿真得到的轧钢机负载曲线、电压电流波形、电压波动、谐波、功率因数等，证实了该动态软件的正确性。
上传时间： 2013-04-24
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