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文檔簡介
27十二月2023第3章整流電路3.1單相可控整流電路
3.2三相可控整流電路
3.3變壓器漏感對整流電路的影響
3.4整流電路的有源逆變工作狀態(tài)
3.5相控電路的驅(qū)動(dòng)控制27十二月2023整流電路·引言2.整流電路的分類按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向,又分為單拍電路和雙拍電路。1.整流電路
出現(xiàn)最早的電力電子電路,將交流電變?yōu)橹绷麟姟?7十二月20233.1單相可控整流電路3.1.1單相半波可控整流電路
3.1.2單相橋式全控整流電路
3.1.3單相全波可控整流電路
3.1.4單相橋式半控整流電路27十二月20233.1.1單相半波可控整流電路
單相半波可控整流電路及波形1.帶電阻負(fù)載的工作情況電阻負(fù)載的特點(diǎn):電壓ud
與電流id成正比,兩者波形相同。
VT承受正向電壓,當(dāng)有觸發(fā)信號(hào)ug時(shí)VT導(dǎo)通,
uVT=0
;導(dǎo)通后,當(dāng)iVT=0
時(shí),VT關(guān)斷,iVT=0。晶閘管可看成理想開關(guān)VT關(guān)斷VT導(dǎo)通1)工作原理及波形分析變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。u1:單相交流電源。R:整流電路的負(fù)載。27十二月2023
單相半波可控整流電路及波形u2正半周
1)0~wt1,VT承受正向電壓
無觸發(fā)信號(hào)ug,VT關(guān)斷,
id=iVT=0,ud=0,uVT=u2。
2)wt1時(shí),有觸發(fā)信號(hào)ug時(shí)
VT導(dǎo)通,uVT=0
,ud=u2;
u2負(fù)半周
1)wt=
,ud=0,id=0,
iVT=0
,
VT因電流過零關(guān)斷,ud=0,uVT=u2。u2=ud+uVTiVT;id=iVTVT關(guān)斷時(shí),id=0,ud=0,uVT=u2VT導(dǎo)通時(shí),id=iVT,uVT=0,ud=u227十二月2023
首先,引入兩個(gè)重要的基本概念:觸發(fā)延遲角a
:從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用
a表示,也稱觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角θ
:晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度,用θ表示。θ
=-a27十二月2023α=0輸出電壓ud的波形隨觸發(fā)角α變化udu227十二月2023α=π/4udu227十二月2023α=π/2udu227十二月20232)定量計(jì)算
=0o時(shí),Ud=0.45U2;
=180o時(shí),Ud=0.
(2)
移相范圍為180
這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式(相控方式)。(1)直流輸出電壓平均值Ud為:27十二月20232.帶阻感負(fù)載的工作情況
阻感負(fù)載的特點(diǎn):
1)電感對電流變化有抗拒作用,使得流過電感的電流不發(fā)生突變。2)當(dāng)電流變化時(shí),電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢eL,其方向?yàn)樽柚闺娏鞯淖兓?。eL=-Ldidt3)阻感負(fù)載中電流要滯后電壓一個(gè)電角度
。L+-iRueLUI
1)工作原理及波形分析27十二月2023u2正半周
1)0~wt1,VT承受正壓無ug,
VT關(guān)斷。
2)wt1=
時(shí),有ug時(shí)VT導(dǎo)通,id
從零增大。
u2負(fù)半周
1)wt=
,ud=0,因?yàn)殡姼凶饔?,id≠0,VT繼續(xù)導(dǎo)通。
2)wt=+θ時(shí),電感儲(chǔ)能釋放完畢,id=0,VT因電流過零關(guān)斷。VT關(guān)斷時(shí),id=0,ud=0,uVT=u2VT導(dǎo)通時(shí),id=iVT,uVT=0,ud=u2u2=ud+uVT;id=iVT27十二月2023α=π/4udu227十二月2023α=π/2udu227十二月2023
對單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行:
電力電子電路的一種基本分析方法1)通過器件的理想化,將電路簡化為分段線性電路。1)當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí),相當(dāng)于電路在VT處斷開,id=0。2)當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí),相當(dāng)于VT短路。
uVT=0VTRLVTRLu2u2a)VT處于關(guān)斷狀態(tài)b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)
單相半波可控整流電路的分段線性等效電路id+uVT-2)器件的每種狀態(tài)對應(yīng)于一種線性電路拓?fù)洹?7十二月2023
當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí),如下方程成立:VTRLu2初始條件:ωt=a,id=0。求解上式并將初始條件代入可得其中:,id2)定量計(jì)算UI
求負(fù)載電流id27十二月2023當(dāng)ωt=θ+
時(shí),id=0,代入id式中并整理得:當(dāng)
、
一定時(shí),可由上式求出
。
討論負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角
、晶閘管導(dǎo)通角θ
的關(guān)系。1)若
為定值,
越大,在u2正半周
L
儲(chǔ)能越少,維持導(dǎo)電的能力就越弱,θ越小.求晶閘管導(dǎo)通角θ27十二月20232)若
為定值,
越大,則L
貯能越多,θ越大;且
越大,在u2負(fù)半周L
維持晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就越接近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時(shí)間,ud中負(fù)的部分越接近正的部分,平均值Ud
越接近零,輸出的直流電流平均值也越小。特別是:當(dāng)ωL﹥﹥R,
=900ud中負(fù)的部分與正的部分基本對稱。平均值Ud
≈027十二月2023為避免Ud太小,在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管3.帶續(xù)流二極管的阻感負(fù)載
續(xù)流二極管,反并聯(lián)在負(fù)載兩端(ωL﹥﹥R,id近似恒為
Id)VDR導(dǎo)通續(xù)流時(shí):VT關(guān)斷
ud=0,uVT=u2
,iVT
=0,iVDR=
idVT導(dǎo)通時(shí):VDR截止
uVT=0,
iVT=id
,ud=u2,iVDR=0VT和VDR不能同時(shí)導(dǎo)通,否則u2將發(fā)生短路故障。
27十二月2023并聯(lián)續(xù)流二極管后,ud的負(fù)半周被截掉udu227十二月2023VDR導(dǎo)通續(xù)流時(shí):VT關(guān)斷
ud=0,uVT=u2
,iVT
=0,iVDR=
idVT導(dǎo)通時(shí):VDR截止
uVT=0,
iVT=id
,ud=u2,iVDR=0(1)當(dāng)u2
正半周時(shí)
ωt1=α?xí)r,VT導(dǎo)通,
VDR
截止,ud、uVT的電路波形與阻感負(fù)載相同.1)工作原理及波形分析27十二月2023當(dāng)u2過零變負(fù)時(shí),VDR導(dǎo)通,ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過VDR向VT施加反壓使其關(guān)斷,L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通,此過程通常稱為續(xù)流。續(xù)流期間ud為零,ud中不再出現(xiàn)負(fù)的部分。同純電阻負(fù)載情況.(2)當(dāng)u2
負(fù)半周時(shí)
VDR
導(dǎo)通,VT關(guān)斷VDR導(dǎo)通續(xù)流時(shí):VT關(guān)斷
ud=0,uVT=u2
,iVT
=0,iVDR=
id27十二月2023(wL﹥﹥R,id近似恒為Id)2)定量計(jì)算
(2)VT的
移相范圍為180
(1)直流輸出電壓平均值Ud為:(3)直流電流平均值:VT電流有效值:VT平均電流:27十二月2023VDR電流有效值:VDR平均電流:1)VT的
移相范圍為180
。2)簡單,但輸出脈動(dòng)大,變壓器二次側(cè)電流(i2=iVT)中含直流分量,造成變壓器鐵芯直流磁化。3)實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。4)分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。3)單相半波可控整流電路的特點(diǎn)27十二月20233.1.2單相橋式全控整流電路1.帶電阻負(fù)載的工作情況VT1和VT4為一組,狀態(tài)相同;
VT2和VT3為一組,狀態(tài)相同;VT1、VT2、VT3、VT4不能同時(shí)導(dǎo)通,否則u2將發(fā)生短路故障。
27十二月2023VT1、VT2、VT3、VT4全關(guān)斷
ud=
0
,id=0,iVT1、2、3、4=0,uVT1、4=u2/2,
uVT2、3=-u2/2u2
正半周,VT1、4承受正壓可觸發(fā)導(dǎo)通,當(dāng)電流過零時(shí)關(guān)斷。u2
負(fù)半周,VT2、3承受正壓可觸發(fā)導(dǎo)通,當(dāng)電流過零時(shí)關(guān)斷。27十二月2023VT1、VT4導(dǎo)通時(shí):VT2、VT3關(guān)斷
uVT1、4=0,
iVT1、4=id
,ud=u2
,uVT2、3=-u2VT2、VT3導(dǎo)通時(shí):VT1、VT4關(guān)斷
uVT2、3=0,
iVT2、3=id
,ud=-u2
,uVT1、4=u227十二月2023ud-uVT1,427十二月20231)工作原理及波形分析在u2正半周,VT1和VT4承受電壓u2/2,得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通,當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷。在u2負(fù)半周,VT2和VT3承受電壓-u2/2,得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通,當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷。VT1、VT4導(dǎo)通時(shí):VT2、VT3關(guān)斷
uVT1、4=0,
iVT1、4=id
,ud=u2,uVT2、3=-u2VT2、VT3導(dǎo)通時(shí):VT1、VT4關(guān)斷
uVT2、3=0,
iVT2、3=id
,ud=-u2,uVT1、4=u2iVT1、4iVT1、4iVT2、3ug1、4ug2、327十二月20232)定量計(jì)算(2)a角的移相范圍為180
。(3)向負(fù)載輸出的平均電流值為:
流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半,即:(1)輸出平均電壓值為:27十二月2023流過晶閘管的電流有效值:變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等:由上兩式得:不考慮變壓器的損耗時(shí),要求變壓器的容量S=U2I2。27十二月20232.帶阻感負(fù)載的工作情況
u2的正半周,VT1、4承受正壓,可觸發(fā)導(dǎo)通。u2的負(fù)半周,VT2、3承受正壓,可觸發(fā)導(dǎo)通。ααVT1、VT4的α=0位于u2正半周的起始過零點(diǎn)。VT2、VT3的α=0位于u2負(fù)半周的起始過零點(diǎn)。27十二月2023
假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài),id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大,負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。1)工作原理及波形分析u2過零變負(fù)時(shí),由于電感作用,晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。VT1、4和VT2、3交替導(dǎo)通27十二月2023至ωt=π+a時(shí)刻,晶閘管VT2和VT3兩管導(dǎo)通,VT1和VT4關(guān)斷。VT2和VT3導(dǎo)通后,VT1和VT4承受反壓關(guān)斷,流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上,此過程稱換相,亦稱換流。大電感負(fù)載
:θ=18005227十二月2023ud-uVT1,427十二月2023
2)定量計(jì)算(2)晶閘管移相范圍為90
。(4)電流的平均值和有效值:晶閘管導(dǎo)通角θ與a無關(guān),均為180
。(5)變壓器二次側(cè)電流
i2的波形為正負(fù)各180
的矩形波,其相位由a角決定,有效值
I2=Id。(3)晶閘管承受的最大正反向電壓均為。(1)輸出電壓平均值為:27十二月2023單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形
在|u2|>E時(shí),才有晶閘管承受正電壓,有導(dǎo)通的可能。
導(dǎo)通之后,ud=|u2|
,,直至|u2|=E,id即降至0使得晶閘管關(guān)斷,此后ud=E
。3.帶反電動(dòng)勢負(fù)載時(shí)的工作情況1)工作原理及波形分析IduidOEdwtOwtαq27十二月2023
與電阻負(fù)載時(shí)相比,晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電,δ稱為停止導(dǎo)電角。
在a角相同時(shí),整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。d27十二月2023
當(dāng)α<d時(shí),觸發(fā)脈沖到來時(shí),晶閘管承受負(fù)電壓,不可能導(dǎo)通。
觸發(fā)脈沖有足夠的寬度,保證當(dāng)wt=d時(shí)刻有晶閘管開始承受正電壓時(shí),觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣,相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為d。
2)帶反電動(dòng)勢--電阻負(fù)載時(shí)u電流斷續(xù)idOEdwtIdOwtαqd電流連續(xù)27十二月2023
負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí),如果出現(xiàn)電流斷續(xù),則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。為了克服此缺點(diǎn),一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器。單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢負(fù)載串平波電抗器,電流連續(xù)的臨界情況平波電抗器電感值可由下式求出。3)帶平波電抗器的反電動(dòng)勢負(fù)載27十二月2023
帶平波電抗器的反電勢負(fù)載電路,其波形和相關(guān)計(jì)算公式與帶大電感負(fù)載時(shí)相同。27十二月2023單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。變壓器不存在直流磁化的問題。3.1.3單相全波可控整流電路27十二月2023單相全波與單相全控橋的區(qū)別1)單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,材料的消耗多。2)單相全波只用2個(gè)晶閘管,比單相全控橋少2個(gè),相應(yīng)地,門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè);但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。3)單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管,比單相橋少1個(gè),因而管壓降也少1個(gè)。
從上述后兩點(diǎn)考慮,單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。27十二月20233.1.4單相橋式半控整流電路
電路結(jié)構(gòu)
單相全控橋中,每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管,1個(gè)晶閘管可以用二極管代替,從而簡化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路。d
單相橋式半控整流電路TabRLu2i2udidVT1VT2VD3VDRVD427十二月20231.單相半控橋帶電阻負(fù)載
半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同。27十二月2023
在u2正半周,u2經(jīng)VT1和
VD4向負(fù)載供電。ud=u2
u2過零變負(fù)時(shí),由VDR續(xù)流。ud為零。在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時(shí)刻觸發(fā)VT2,VT2導(dǎo)通,u2經(jīng)
VT2和VD3向負(fù)載供電。
ud=-u2u2過零變正時(shí),VDR續(xù)流,
ud又為零。1)工作原理及波形分析假定wL﹥﹥R,id為連續(xù)平直的波形2.單相半控橋帶阻感負(fù)載(有續(xù)流二極管)ugug1ug2ug127十二月20233.單相橋式半控整流電路的另一種接法
相當(dāng)于把單相全控橋中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4,這樣可以省去續(xù)流二極管VDR,續(xù)流由VD3和VD4來實(shí)現(xiàn)。
單相全控橋式單相橋式半控整流電路的另一接法27十二月2023
選用時(shí),額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管在電路中所承受最大正反向電壓的2-3倍.1)額定電壓值U=(2~3)max(UFM,URM)
在環(huán)境溫度不大于400的標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下,晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流(在一個(gè)周期內(nèi))的平均值.2)通態(tài)平均電流ITIe
--
正弦半波電流有效值IT=
1.57
Ie1sin2ωtdωtIIT=
2
01sin2ωtdωtIIe=
2
0()2
晶閘管的額定電壓和額定電流確定方法27十二月20233)晶閘管額定電流IT=(1.52)
Ie′
/
1.57Ie′:實(shí)際波形電流有效值
選用時(shí),按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選擇,要留有一定裕量,一般取1.5~2倍.1sin2ωtdωtII'e=
2βα()2αβ27十二月20233.單相橋式全控整流器電路,U2=100V,負(fù)載中R=2Ω,L值極大,當(dāng)
=30°時(shí),要求:(1)作出ud、id和i2的波形;(2)求整流輸出平均電壓Ud、電流Id,變壓器二次電流有效值I2;(3)考慮安全裕量,確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解:由于負(fù)載中L極大,故可看成大電感負(fù)載.(1)α=30o時(shí):ud、id、i2的波形如圖:27十二月2023=0.9×100×0.866≈78(V)輸出直流電流平均值為(A)晶閘管電流的有效值為≈27.6(A)
(2)輸出電壓平均值為27十二月2023變壓器二次電流的有效值I2為(3)晶閘管通態(tài)平均電流
IT(AV)=(1.5
2)IVT1
/1.57=(1.52)27.6/1.57=(26.3~35)(A).可取30A額定電流.晶閘管可能承受的最大正反向電壓為
考慮2倍安全裕量,可取300V額定電壓.(V)故可選擇額定通態(tài)平均電流為30A、額定電壓為300V的晶閘管。3427十二月20233.2三相可控整流電路3.2.1三相半波可控整流電路3.2.2三相橋式全控整流電路27十二月2023三相可控整流電路·引言交流測由三相電源供電。負(fù)載容量較大,或要求直流電壓脈動(dòng)較小、容易濾波?;镜氖侨喟氩煽卣麟娐?,三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣。27十二月20232.2.1三相半波可控整流電路1.電阻負(fù)載三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路abcTRudidVT2VT1VT32)三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源,其陰極連接在一起—共陰極接法。1)變壓器二次側(cè)接成星形得到零線,而一次側(cè)接成三角形避免3
次諧波流入電網(wǎng).電路的特點(diǎn)27十二月2023三相半波不控整流電路(共陰極接法二極管)
那相陽極電壓最高,與之相連的二極管承受正壓導(dǎo)通,ud為該相電壓。而另二個(gè)二極管承受反向線電壓關(guān)斷。wt1-wt2
:ua最高,VD1導(dǎo)通,ud=ua;VD2(uba),VD3(uca)關(guān)斷wt2-wt3
:ub最高,VD2導(dǎo)通,ud=ub;VD1(uab),VD3(ucb)關(guān)斷wt3-wt4
:uc最高,VD3導(dǎo)通,ud=uc。VD1(uac),VD2(ubc)關(guān)斷ud27十二月2023
自然換相點(diǎn)
二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)。
在相電壓的交點(diǎn)wt1、wt2、wt3等處,出現(xiàn)了二極管換相,即電流由一個(gè)二極管向另一個(gè)二極管轉(zhuǎn)移。
一個(gè)周期中,VD1、VD2、VD3輪流導(dǎo)通,每管各導(dǎo)通120o,ud波形為相電壓正半周期包絡(luò)線27十二月2023共陰極組:VT1、VT2、VT3,哪相電壓最高,哪相晶閘管承受正壓,可被觸發(fā)導(dǎo)通(電源正半周)。整流輸出ud等于該相電壓。abcTRudidVT2VT1VT3
晶閘管承受正壓范圍:1)VT1:ua
ub
且ua
uc;
2)VT2:ub
ua
且ub
uc;
3)VT3:uc
ub
且uc
ua;三相半波可控整流電路(共陰極接法)ua最高時(shí),VT1可觸發(fā)導(dǎo)通,ud=ua;VT2(uba),VT3(uca)關(guān)斷ub最高時(shí),VT2可觸發(fā)導(dǎo)通,ud=ub;VT1(uab),VT3(ucb)關(guān)斷uc最高時(shí),VT3可觸發(fā)導(dǎo)通,ud=uc。VT1(uac),VT2(ubc)關(guān)斷27十二月2023
自然換相點(diǎn)
自然換相點(diǎn),是各相晶閘管承受正壓,能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻,將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角
的起點(diǎn),即
=0
。VT1、VT2、VT3的觸發(fā)脈沖的順序(即導(dǎo)通順序)
ug1、后移120oug2、再120oug3(VT1→VT2→VT3)abcTRudidVT2VT1VT3VT1、VT2、VT3的觸發(fā)脈沖
VT1、VT2、VT3的觸發(fā)脈沖只能在自然換相點(diǎn)后給出。ug1ug2ug3wtug1ug2ug3wt27十二月20231)
工作原理及波形分析
一周期中:分3段,每段120o在wt1~wt2期間
VT1導(dǎo)通,ud=ua
VT2(uba),VT3(uca)關(guān)斷在wt2~wt3期間
VT2導(dǎo)通,
ud=ub
VT1(uab),VT3(ucb)關(guān)斷在wt3~wt4期間
VT3導(dǎo)通,
ud=uc
VT1(uac),VT2(ubc)關(guān)斷abcTRudidVT2VT1VT3u2uaubuca=0Owt1uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwtwt2wt3(1)
=0
時(shí)(波形同二極管電路)wt4ug1
ug2
ug327十二月2023abcTRudidVT2VT1VT3u2uaubuca=0Owt1uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwtwt2wt3
=0
時(shí)各相導(dǎo)電120
晶閘管的電壓波形,由
3段組成。VT1導(dǎo)通:uVT1=0VT2導(dǎo)通:uVT1=uabVT3導(dǎo)通:uVT1=uacug1
ug2
ug327十二月2023(2)a=30
的波形
變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形相同,變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的電壓波形,由3段組成。特點(diǎn):負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。各相仍導(dǎo)電120.VT1導(dǎo)通后,在自然換相點(diǎn)后,雖然ub>ua,但在ug2到來使得VT2導(dǎo)通前,VT1不關(guān)斷。直到ug2到來VT2導(dǎo)通,VT1關(guān)斷。ug1
ug2
ug327十二月2023(3)
>30
的情況(
=60o)
特點(diǎn):負(fù)載電流斷續(xù),晶閘管導(dǎo)通角小于120
。相電壓過零時(shí),ud=0,id=0,晶閘管因電流為零而關(guān)斷ug1
ug2
ug327十二月2023α=30o
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