不可逆V-M双闭环直流调速系统设计

控制系统课程设计说明书

设计题目： 不可逆V-M双闭环直流调速系统设计 学生姓名： 学 号：

专业班级： 学 院：

指导教师：

2013年12月13日

学生姓名 设计题目 说明书评定成绩 设计总成绩 班级 题目三：不可逆V-M双闭环直流调速系统设计 答辩成绩 题目三：不可逆V-M双闭环直流调速系统设计 一 性能指标要求： 稳态指标：系统无静差 动态指标：?i?5%；空载起动到额定转速时?n?10%。 二 给定电机及系统参数 PN?48KW，UN?230V，IN?209A，??2，nN?1450rmin，Ra?0.3?主回路总电阻R?0.6? 系统飞轮惯量GD2?58.02N?m2 设计要求 系统最大给定电压Unm?10V ACR、ASR调节器限幅值调到为?8V， 三 设计步骤及说明书要求 1 画出双闭环系统结构图，并简要说明工作原理。 2 根据给定电机参数，设计整流变压器，并选择变压器容量；选择晶闸管的参数并确定过流、过压保护元件参数。 3 分析触发电路及同步相位选择。 4 设计ACR、ASR并满足给定性能指标。 5 完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。 6打印说明书（A4），打印电气原理图（A4）。 ?

目 录

1调速的方案选择…………………………………………………4

1.1电动机供电方案的选择 1.2系统的结构选择

1.3确定直流调速系统的总体结构框图。

2主电路的计算…………………………………………………8 2.1整流变压器计算 2.2晶闸管元件的选择 2.3晶闸管保护环节的计算。 2.4平波电抗器计算

3触发电路的选择与校验………………………………………12 4双闭环直流调速系统的动态设计……………………………14 4.1电流调节器的设计 4.2转速调节器的设计

5结论………………………………………………………………18 6参考文献…………………………………………………………18

一、调速的方案选择

1.1电动机供电方案的选择

采用晶闸管三相全控桥变流器供电方案 （1）给定电机及系统参数

PN?48KW，UN?230V，IN?209A，??2，nN?1450rmin，Ra?0.3? 主回路总电阻R?0.6? 系统飞轮惯量GD2?58.02N?m2 系统最大给定电压Unm?10V ACR、ASR调节器限幅值调到为?8V （2）性能指标要求： 稳态指标：系统无静差

动态指标：?i?5%；空载起动到额定转速时?n?10%。 1.2系统的结构选择

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，而直流调速系统又分为开环调速、单闭环调速和双闭环调速等调速方式。其中开环调速的静差率不高，且只能实现一定范围内的无极调速；而在单闭环调速系统中只有电流截止负反馈环节时专门用来控制电流的，它不能很理想的控制电流的动态波形，但双闭环控制可解决以上的所有问了题，故本系统采用双闭环调速系统。 1.3确定直流调速系统的总体结构框图 （1）双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行串级联接，如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

?

4

图1 转速、电流双闭环直流调速系统

ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机

TA——电流互感器 UPE——电力电子变换器

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。

图2 双闭环直流调速系统电路原理图

图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

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（2）稳态结构图和静特性

为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图3所示。它可以很方便地根据原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值，不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压?U在稳态时总为零。

图3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图

?——转速反馈系数 ?——电流反馈系数

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。

1.转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此

?Un?Un??n??n0

Ui??Ui??Id

由第一个关系式可得

n??Un??n0

?从而得到图1-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，Ui??Uim，从上述第二个

关系式可知Id?Idm。这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。

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2.转速调节器饱和

?这时，ASR输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时

Id?*Uim??Idm

其中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。其所描述的静特性对应于图4中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性

*只适合于n?n0，则Un?Un，ASR将退出饱和状态。

图4双闭环直流调速系统的静特性

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统的静特性好。

（3）各变量的稳态工作点和稳态参数计算

由图1-4可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系

?Un?Un??n??n0

Ui??Ui??Id??IdL

*Ud0Cen?IdRCeUn??IdLR Uc???KsKsKs*上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定的；ASR的输出量Ui*是由*负载电流IdL决定的；而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于Un和

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IdL。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输

入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止 所以，

*Unm10转速反馈系数为 ????0.048

nN209*Uim8 电流反馈系数为 ????0.019

?IN2?209二、主电路的计算

在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图如图

2-1所示。它通过调节处罚装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采

用了三相全控桥整流电路来供电， 该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压

图2-1 V-M 系统原理 波动小，适

合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。

图2-2 主电路原理图

三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2

接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。

为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，在三相交流电路的交、

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直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。

2.1整流变压器计算

在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置间的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常均要配用整流变压器。 变压器额定参数计算主要是根据给定的电网相电压有效值、已确定的整流电路形式、负载条件、直流输出电压和功率来计算变压器二次侧相电压、相电流和一次测电流，以及变压器二次侧容量和一次侧容量。

1）变压器二次侧相电压U2、相电流I2和一次侧电流I1

U2?UN?n?UVT

A?(cos?min?CUK%/100ImaxIN)式中：UN为负载的额定电压，取230V

?UVT为整流元件的正向导通压降，取1V

n为电流回路所经过的整流元件的个数，桥式电路取2

?A为理想情况下??0时Ud0U2，取2.34

?为实际电压与理想空载电压比，取0.92

?min为最小移相角，取10? C为线路接线方式系数，取0.5

UK%为变压器阻抗电压比，取0.05

ImaxIN为二次侧允许出现的最大电流与额定电流之比，取1.2 所以将数据代入

U2?230?2?1?110V

2.34?0.92?(0.98?0.5?0.05?1.2?100)输出电压平均值Ud=2.34U2cos?=252.252V，取250V

I2=2Id=0.816?209?170.544A，取170A 3忽略变压器励磁电流，可计算变压器一次侧相电流为

I1?I2110U2?49.21A ?170?380U12）变压器二次侧容量S2和一次侧容量S1

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忽略变压器励磁功率，则三相桥式相控整流电路整流变压器二次侧容量和一次侧容量相等

S1?S2?3U2I2?3?110?170?56.1KVA 2.2晶闸管元件的选择

1）选择晶闸管元件主要根据是晶闸管整流装置的工作条件，计算管子电压、电流值，正确确定晶闸管型号规格，以得到满意的技术经济效果。

已知U2的电压，对于三相桥式全控整流电路，可知晶闸管最大承受正反向电压峰值

6U2，考虑一定的安全裕量，则有

UTN?(2~3)6U2?(2~3)?6?110?538.89~808.33V,取650V

按平波电抗器电感量足够大、电流连续且平直考虑，则流过晶闸管的电流有效值

IT?(1.5~2)?Id1.57?3=(1.5~2)?209?115.29~153.71A,取130A

1.57?3 根据上述计算，查阅相关手册，可选择型号为KK506的晶闸管。 2.3晶闸管保护环节的计算

晶闸管原件有很多优点，但与其它电气设备相比，由于元件的击穿电压较接近运行电压，热时间常数小，因此过电压，过电流能力差，短时间的过电流，过电压都可能造成元件损坏。为使晶闸管装置能正常工作而不损坏，只靠合理选择元件还不行，还要十分重视保护环节，因此在晶闸管装置中，必须采取适当的保护措施。

1）交流侧过电压保护

主电路交流侧过电压保护选择阻容保护和压敏电阻保护，并且均采用Y接法。 阻容保护电容值可由下式计算

C?17320I0%0.05?17320??4.55?F U2L110?3式中：U2L为变压器二次侧线电压：I0%为变压器空载电流百分数，一般取2%~10%。取C=4.5?F

电容C耐压值UC ?1.5Um?1.5?2U2?1.5?2?110?233.35V，取UC=300V，故可以选择4.5?F/300V金属化纸介电容器。

电阻值可由下式计算

R?0.17U2L3U23U23?112?0.17?0.17?0.17??3.88?，取R=4?

I0%I2LI0%I2LI0%I20.05?17010

电阻功耗PR??1/4I0%I2L?R??1?4?0.05?170??4?18.06W，取PR=18W，因此R可选择4?/18W线绕电阻。 压敏电阻标称电压U1mA?22?2U2L0.8~0.9?1.2?2?3U21.2?2?3?110??380.39V

0.850.85式中，?为电网电压波动系数，U1mA取380V

压敏电阻通流容量的选择原则是压敏电阻允许通过的最大电流应大于泄放浪涌电压时流过压敏电阻的实际浪涌峰值电流。通流容量Iy?(20~50)I2?(20~50)?170A=(3.4~8.5)KA，取5KA 根据上述计算选择用MY31—380/5型压敏电阻。

2）晶闸管两端过电压保护

晶闸管两端过电压保护采取阻容保护，电阻、电容值可根据晶闸管额定电流来直接选择经验数据，见下表 晶闸管额1000 500 200 100 50 20 10 定电流 电容（μF） 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1 电阻（Ω） 2 5 10 20 40 80 100 由上表知，C=0.5?F，R=10?

电容耐压值UC ?1.5Um?1.5?6U2?1.5?6?110?404.17V，取为400V

2?6电阻功率P?50?0.5?(6?110)2?10?6?1.815W取为2W。 R?fCUm?10可选用0.1?F

3）过电流保护

过电流保护采用晶闸管串联快速熔断器方案。快速熔断器的额定电流通常要大于流过晶闸管的电流有效值的1.3倍，由于流过晶闸管的有效电流值IT=130A，故选熔体电流为75A的快速熔断器。查阅手册，选用RS3型。 4）直流侧过电压保护

直流侧由于是电感性负载,故在某种情况下,会发生浪涌过电压.如电压过高的话,有可能会造成晶闸管硬开通而损坏。为避免它，故在直流负载两端并接压敏电阻来保护。

选择根据U1mA标准电压和通流容量通过查表可得出：

U1mA?1.3?2?Ud?1.3?2?250?460V

通流容量选择0.5KA。

故查表得压敏电阻型号规格为MY31?4600.5。

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2.4平波电抗器计算

1）维持电流连续的临界电感值

L'd?0.693?10?3110U2?0.0073H，取L'd=7.3mH ?0.693?10?30.05?209Idmin2）电动机电感量按下式计算

LD?KDUN

2pnNIN式中，UN、IN、nN分别为直流电动机电压、电流和转速的额定值，p为电动机磁极对数；KD为计算系数，一般无补偿电动机取8~12快速无补偿电动机取6~8，有补偿电动机取5~6。本例取KD=10，得

LD?KDUN230?0.0019H 取LD?1.9mH =10?2?2?1450?2092pnNIN3）整流变压器每相漏电感LB按下式计算

LB?KLUK%U2 Ie式中，KL与电路形式有关，单相桥式相控整流电路取3.18，三相桥式相控整流电路取3.9，计算可得LB?KLUK%U20.05?110?3.9??0.001H,取LB=1mH

100Ie100?2094）平波电抗器实际电感量Ld

Ld?L'd?LD?2LB=7.3-1.9-2?1=3.4mH，取Ld?3mH，流过电抗器的电流为209A。

三、 触发电路的选择与校验

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A∕us。

（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。

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（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

理想的触发脉冲电流波形如图5。

图5 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1~t2-----脉冲前沿上升时间（?1?s）

t1~t3----强脉冲宽度 IM---强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4---脉冲宽度 I--脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图6。

至VT6至VT5至VT4至VT3至VT2至VT1(15~10脚为6路双脉冲输出)(1~3脚为6路单脉冲输入)

图6 三相全控桥整流电路的集成触发电路

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四、双闭环直流调速系统的动态设计

1、系统的动态结构图

图4-1 双闭环直流调速系统的动态结构图

系统的动态结构图如图4-1所示，图中：

WASR(s)——转速调节器的传递函数； WACR(s)——电流调节器的传递函数；

KS——晶闸管整流与触发装置的静态放大倍数； Toi——电流反馈滤波时间常数Toi?0.002s；

Ton——转速反馈滤波时间常数Ton?0.02s；

Ts——晶闸管整流电路的失控时间，对于三相桥式电路Ts?0.0017s； Tl——电动机电枢回路的电磁时间常数； Tm——机电时间常数 ；

R——主回路总电阻；

Ce——电动机电势系数；

Cm——电动机转矩系数；

?——转速反馈系数；

?——电流反馈系数； KI-------电流开环增益

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*Unm10其中：转速反馈系数为????0.048

nN209*Uim8 电流反馈系数????0.019

?IN2?209 Ce? Cm? Tl?UN?INRa230?209?0.3??0.115 nN145030?Ce?30??0.115?1.098V/r/min

Ld0.003??0.005s R0.6GD2RGD2R58.02?0.6???0.735 Tm?30302375CeCm375C375?0.1152?e?? Ks?Ud250??31.25 取Ks?31 Ucm8

2、电流调节器的设计

1）整流装置的滞后时间常数。对于三相桥式电路，平均失控时间为Ts?0.0017s。 2）电流环小时间常数之和TΣi?Ts?Toi?0.0017?0.002?0.0037s 3）选择调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器WACR(S)?4）计算ACR参数

电流调节器超前时间常数：?i?Tl?0.005s，要求?n?5%时，应取KITΣi?0.5,因此电流环开环增益KI?Ki(?i?1) ?is0.50.5??135.14s?1 TΣi0.0037KI?iR135.14?0.005?0.6??0.688 Ks?31?0.019所以ACR的比例系数：Ki?5）校验近似条件

电流环截止频率：?ci?KI?135.14s。

?1晶闸管整流装置传递函数的近似条件:

1/（3Ts）?1/（3?0.0017）?196.1s?1＞?ci，满足近似条件。

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忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件:

3?11?3??49.47?Wci，满足近似条件。 Tm?Tl0.735?0.005电流环小时间常数近似处理条件:

111??1?180.8S?1?Wci3Ts?Ti30.0017?0.002，满足条件

所以WACR(S)?0.668(0.005?1)。

0.005s6）计算调节器电阻和电容 其电路实现如下图。取R0?40K?，各电阻和电容值计算如下：

Ri?KiR0?0.668?40?103??26.72K?可取27K?

Ci?Ti0.005??0.185?F，取0.2?F Ri27?1034Toi4?0.002??2?10?6F?2?F，取2?F R040000Coi?

3、转速调节器的设计 1）电流环等效时间常数

11?2TΣi?2?0.0037?0.0074s 。已取KITΣi?0.5,则

KIKI2）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，则TΣn?1?Ton?0.0074?0.02?0.0274s KIKn(?ns?1)

?ns16

3）选择ASR结构 设计要求无静差，选用PI调节器，其传递函数为：WASR(s)?

4）计算ASR参数

按跟随和抗扰性能较好原则，取h=5，则 ASR超前时间常数为?n?hTΣn?5?0.0274?0.137s 则转速环开环增益：Kh?1N?2h2T2?625?0.02742?159.8s?2 Σn2?CRae?UN?INn?230?209?0.3?0.115 N1450TGD2RGD2R58.02?0.6m?375C???0.735

eCm375Ce230375?0.1152?30??因此ASR的比例系数为：K(h?1)?CeTm6?0.019?0.115n?2h?RT??0.735?1.22

Σn2?5?0.048?0.6?0.02745）校验近似条件

由式K=ω1ωc得转速环截止频率为：

Wcn?KN?KN?n?159.8?0.137?21.89s?1W。 1电流环传递函数简化条件：

1KI3T?1135.1430.0037?63.7s?1?Wcn，满足简化条件。?i

转速环小时间常数近似处理条件：

1KI3T?1135.1430.02?27.33s?1?Wcn，满足近似条件。

on

所以ASR传递函数为W1.22(0.137s?1)ASR(s)?0.137s。

6）计算ASR电阻和电容值 转速调节器电气原理图如图所示。

运算放大器取R0?40K?，各电阻和电容值计算如下：

Rn＝KnR0＝1.22?40K??48.8，取49K?

Cn＝?nR?0.13749?103?2.8?10?6F?2.8?F n

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Con?4Ton4?0.02?6??2?10F?2?F 3R040?10

7）校验转速超调量

?＝1.5，R?0.6?,IN?209A，nN?1450rmin，Ce＝0.115V?minrTm＝0.735s，TΣ＝0.0274s

n当h＝5，??2，z=0时，由典型Ⅱ系统动态性能指标与参数的关系可知

?Cmax＝81.2%，且Cb?nN??nNTΣn?CIdNR209?0.6得 ??1090rmin。由公式：?n?2(max)(??z)Ce0.115Cbn*Tm10900.0274?＝9.1%?10%，满足条件。 14500.735?n＝2?81.2%?2?

五、总结

在做这次课程设计期间，我遇到了很多问题，有关于设计的专业知识问题，也有相关软件的使用问题。通过从网上查阅资料以及同学的帮助，最终完成了本次课程设计。

在实际的设计中，培养了我们把理论与实际相结合的能力，同时也锻炼了我们的应变能力，学会了在设计中独立思考问题和如何查找问题，所有的事情都得亲身体验才会留下深刻的印象，尤其是加深了我对双闭环直流电机调速系统的认识和理解。另外，课余知识也收获不少，比如对word的使用技巧的掌握等等。整个过程，也让我做事更加细心，认真，让我的性格更加沉稳。正所谓是受益匪浅。

六、参考文献

1） 《电力拖动自动控制系统》陈伯时主编 机械工业出版社 2） 《电力电子技术第五版 》 王兆安 刘进军主编 机械工业出版社 3） 《晶闸管直流调速系统》 孔凡才主编 北京科技出版社

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/og68.html