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第四章三相电机控制电路选学

第四章变压器与电动机

第一节变压器

一、变压器的基本结构

变压器可将某一电压数值的交流电转换成同频率的另一电压数值的交流电,它主要由铁心和两个或两个以上的绕组组成。

1、铁心

变压器铁心的作用是构成磁路。

为了减小涡流和磁滞损耗,铁心用具有绝缘层的硅钢片叠成。

在一些专用的小型变压器中,也有采用铁氧体或坡莫合金替代硅钢片的。

变压器的铁心一般分为心式和壳式两大类,其结构和符号如图1所示。

心式变压器在两侧铁心柱上安置绕组,壳式变压器在中间铁心柱上安置绕组。

图1变压器的结构和图形符号

2、绕组

小容量变压器的绕组多用高强度漆包线绕制。

变压器一般有两个或以上的绕组,接电源的绕组称为一次绕组,接负载的绕组称为二次绕组。

变压器在工作时铁心和绕组都会发热,小容量变压器采用自冷式,即将其放置在空气中自然冷却;中容量电力变压器采用油冷式,即将其放置在有散热管(片)的油箱中;大容量变压器还要用油泵使冷却液在油箱与散热管(片)中作强制循环。

二、变压器的工作原理

图2为变压器空载运行原理图。

变压器空载运行是指一次绕组接电源、二次绕组开路的状态。

在外加电压μ1作用下,一次绕组N1中通过的电流i。

称为空载电流。

i0产生工作磁通,又称励磁电流。

在其作用下,二次绕组N2两端将感应出电动势。

在理想状态下变压器的电压变换关系为

=

=k(4.1)

式(4.1)表明变压器一次、二次绕组电压的有效值与一次、二次绕组的匝数成正比,比值k称为变压比。

当二次绕组接人负载ZL时称为变压器有载运行。

图3为变压器有载运行原理图。

一次绕组电流有效值为I1,二次绕组电流有效值为I2,在理想情况下有

=

=

(4.2)

式(4.2)表明变压器一次、二次绕组电流的有效值与一次、二次绕组匝数成反比。

图2变压器空载运行原理图图3变压器有载运行原理图

[例4.1]有一台降压变压器,一次绕组电压为220V,二次绕组电压为110V,一次绕组为2200匝,若二次绕组接人阻抗为10Ω的阻抗,问变压器的变比、二次绕组匝数、一次、二次绕组中电流各为多少?

[解]根据式(4.1)可得变压器变比为

k=

=

=2

二次绕组匝数为

N2=

=

匝=1100匝

二次绕组电流为

I2=

=

A=11A

根据式(4.2)可得一次绕组电流为

I1=

I2=

×11A=5.5A

第二节电焊变压器

电弧焊接是在焊条与焊件之间燃起电弧,用电弧的高温使金属熔化进行焊接。

电焊变压器就是为满足电弧焊接的需要而设计制造的特殊的变压器。

图4是其原理和外形图。

为了起弧较容易,电焊变压器的空载电压一般为60—80V,当电弧起燃后,焊接电流通过电抗器产生电压降。

凋节电抗器上的旋柄可改变电抗的大小以控制焊接电流及焊接电压。

维持电弧工作电压一般为25—30V。

图4电焊变压器

第三节三相异步电动机

(一)三相异步电动机的基本结构与旋转磁场

一、三相异步电动机的基本结构

电动机的结构主要分两部分:

定子和转子。

图5所示为具有笼型转子的三相交流异步电动机的外形和结构。

图5三相笼型异步电动机结构

1、定子

定子是电动机的固定部分,主要由铁心和绕在铁心上的三相绕组构成。

铁心一般由表面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成,其内圆周均匀分布一定数量的槽孔,用以嵌置三相定子绕组。

每相绕组分布在几个槽内,整个绕组和铁心固定在机壳上,如图2所示。

图2电动机定子

定子中三相绕组的六个接线端子从接线盒中引出,其排列如图3所示。

使用时可以根据情况将定子绕组接成星形或三角形。

 

图3三相异步电动机定子接线盒

当电动机每相绕组的额定电压等于电源的相电压时,绕组应作星形联结;当电动机每相绕组的额定电压等于电源的线电压时,绕组应作三角形联结。

2、转子

转子是电动机的旋转部分,由转子铁心和转子绕组组成。

转子铁心是由硅钢片叠压而成的圆柱体,其外圆周冲有槽孔,以便嵌置转子绕组,如图4(a)所示。

转子绕组根据构造分成两种:

笼型和绕线型。

笼型转子是在转子铁心槽内压进铜条,铜条两端分别焊在两个铜环(端环)上,如图4(b)所示。

由于转子绕组的形状像一个笼子,故称其为笼型转子。

为了节省铜材料,中、小型电动机一般都将熔化的铝浇铸在转子铁心槽中,连同短路端环以及风扇叶片一次浇铸成形。

这样的转子不仅制造简单而且坚固耐用,如图4(c)所示。

(a)转子硅钢片(b)笼型绕组(c)铸铝的笼型绕组

图4笼型转子

绕线转子的铁心与笼型相同,不同的是在转子的铁心槽内嵌置对称三相绕组并作星形联结。

三个绕组的末端相连,各相绕组首端通过滑环和电刷引到相应的接线盒里,在启动和调速时可在转子电路中串人附加电阻。

绕线转子异步电动机的转子结构如图5所示。

 

(a)示意图(b)绕线转子

图5绕线转子异步电动机结构

绕线转子异步电动机的转子结构比笼型的要复杂得多,但绕线转子异步电动机能获得较好的起动与调速性能,在需要大起动转矩时(如起重机械)往往采用绕线转子异步电动机。

二、三相异步电动机的旋转磁场

当三相异步电动机定子绕组通人对称三相交流电后,转子便会旋转起来,转子转动的先决条件是在定子和转子之间的空气隙中要产生旋转磁场。

为了研究问题简便,将电动机定子简化为三相六槽结构。

在空间上互差120o的三相对称绕组U1U2、V1V2、W1W2中分别通入三相对称交流电流iu、iv、iw,如图6所示,它们将产生各自的交变磁场,图6三相绕组通入三相交流电

三个交变磁场将合成为一个两极旋转磁场,如图7所示。

各绕组中电流参考方向为从首端U1、V1、W1流入,从末端U2、V2、W2流出。

从图7可以看出,空间上排列互差120o的三相对称绕组通入三相对称交流电后将产生一对磁极的旋转磁场,电流变化一周期,该旋转磁场在空间旋转一周即2π弧度。

图7旋转磁场的产生

旋转磁场的磁极对数p与定子绕组的空间排列有关,通过适当的安排,可以制成两对、三对或更多对磁极的旋转磁场。

根据以上分析可知,电流变化一周期,两极旋转磁场(p=1)在空间旋转一周。

若电流频率为f,则旋转磁场每分钟的转速n。

=60f。

若使定子旋转磁场为四极(p=2),可以证明电流变化一周期,旋转磁场旋转半周(180o),则n。

=60f/2。

按类似方法,可推出具有p对磁极的旋转磁场转速为

n。

=60f/p(4.3)

n。

又称同步转速,单位是转每分(r/min)。

由式(4.3)可知,旋转磁场的转速n。

取决于电源频率f和电动机的磁极对数p。

我国电源频率为50Hz,不同磁极对数旋转磁场的转速见表1。

表1不同磁极对数旋转磁场的转速

磁极对数p

1

2

3

4

5

旋转磁场转速n。

/(r·min-1)

3000

1500

1000

750

600

通过对旋转磁场形成过程的分析还可知,旋转磁场转向与通入电动机定子绕组的电流相序有关。

若要使旋转磁场反转,只需把三根电源线中的任意两根对调(如U、W对调),此时,U1U2绕组通人iW相电流,W1W2绕组通人iU相电流,即改变了通人电动机定子绕组的三相电流相序,不难作图证明,旋转磁场的方向将会与原来旋转方向相反。

(二)三相异步电动机的转动原理及转差率

异步电动机转子能在旋转磁场作用下转动的原因可由图8说明。

旋转磁场以同步转速n。

顺时针方向旋转,相当于磁场不动,转子导体逆时针方向切割磁感应线,产生感应电动势、感应电流。

用右手定则可判定其方向,在转子导体上半部分流纸面,下半部分流入纸面。

有电流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力的作用,用左手定则判断转子受力(F)的方向,如图8所示。

电磁力对转子转轴形成电磁转矩,使转子沿旋转磁场的方向(顺时针方向)针方向)旋转。

转子转速n2与旋转磁场转速n。

同方向,且n。

>n2,故称为异步电动机。

通常把同步转速n。

与转子转速n2的差值与同步转速n。

之比称为异步电动机的转差率,用s表示。

S=n。

-n2/n。

(4.4)

转差率s是描绘异步电动机运行情况的重要参数。

电动机在起动瞬间,n2=0,s=1,转差率最大;空载运行时,n2接近于同步转速,转差率s最小。

可见,转差率s是描述转子转速与旋转磁场转速差异程度的,即电动机的异步程度。

例如,某四极三相异步电动机额定转速(即转子转速)nN=1440r/min,其同步转速n。

=1500r/min,则额定转差率sN=(n。

-nN)/n。

=0.04。

—般情况下,异步电动机额定转差率sN=0.02—0.06。

当三相异步电动机空载时,由于电动机只需克服摩擦阻力和空气阻力,图8异步电动机转动原理

故转速n2很接近同步转速n。

,转差率s很小。

(三)三相异步电动机的运行特性

一、电磁转矩T与转子转速n2的关系曲线

电动机产生的电磁转矩T与转子转速n2的关系曲线称为电动机的机械特性曲线,如图示9所示。

图9中,起动转矩Tst为起动时对应的电磁转矩;额定转矩TN为电动机带额定负载时对应的电磁转矩;最大转矩Tm为电动机在运行中具有的最大转矩。

由机械特性曲线可见:

(1)当电动机的起动转矩大于负载阻力矩时,电动机旋转起来并在电磁转矩的作用下逐渐加速,此时电磁转矩随转子转速n2的增加而逐渐增大(沿曲线DC段上升),一直增大到最大转矩Tm。

而后随着转速的继续增大,电磁转矩反而逐渐减小(沿曲线CA段下降),最终当电磁转矩等于负载阻力矩时电动机就以某一转速匀速稳定旋转。

图9三相异步电动机的机械特性曲线

(2)异步电动机一经起动很快就进入机械特性曲线的AC段,并在其某一点上与负载平衡而稳定运行。

电动机在AC段工作时若负载加大,负载阻力矩大于电磁转矩,会使电动机转速有

所下降,但与此同时,电磁转矩随转速的下降而增大,从而与负载阻力矩达到新的平衡,使电动机以比原来稍低的转速稳定运转。

若负载的阻力矩超过了最大电磁转矩Tm,负载阻力矩则会一直

大于电磁转矩,再也不存在一个新的平衡点使电磁转矩等于负载转矩,电动机的转速将很快下降

直到停止,处于堵转状态。

堵转时电动机定子绕组的电流可达到额定值的4—7倍,时间稍长将

损坏电动机。

(3)机械特性曲线中AC段为异步电动机的稳定运行区。

从空载(对应曲线上A点转速n。

)到满载(对应曲线上B点转速nN)转速下降很少,仅为额定转速的2%—6%。

只要负载阻力矩介于AC区间内,均可以找到平衡点稳定运行。

人们将电动机的最大电磁转矩与额定转矩之比称为电动机的过载系数,用以衡量电动机的过载能力。

一般异步电动机的过载系数约为2~2.2,特殊用途电动机可达到3或更大。

为了保证电动机能够正常起动,电动机的起动转矩必须大于负载的阻力矩,通常用电动机的

起动转矩与额定转矩之比来衡量电动机的起动能力,一般此比例约为1.7—2.2。

二、转矩与功率的关系

电动机在运行中着电动机带动负载转动的转矩为T2,轴上输出的机械功率为P2,转子的转速为n2,由力学知识可知

T2=9550P2/n2

同理,电动机在额定状态下运行则有

TN=9550PN/nN(4.5)

式中TN为电动机输出额定转矩,单位是牛[顿]米(N·m);

PN为电动机输出的额定功率,单位是千瓦(kW);

nN为电动机的额定转速,单位是转每分(r/min),

三、电磁转矩与电源电压的关系

由于用电负荷的变化,电网电压往往会发生波动,而电动机的电磁转矩对电压很敏感,当电网电压降低时,将引起电磁转矩大幅降低。

可以证明,电磁转矩T与电动机定子绕组上所加电压U的平方成正比。

((4.6)

图10中画出了几条不同电压时的机械特性曲线。

由图10可见,当电动机负载的阻力矩一定时,由于电压降低,电磁转矩迅速下降,将使电动机有可能带不动原有的负载,于是转速下降,电流增大。

如果电压下降过多,以致最大转矩也低于负载转矩时,则电动机会被迫停转,时间稍长,电动机图10电源电压变化时的机械特性曲线

会因过热损坏。

(四)三相异步电动机的铭牌

电动机的外壳上都有一块铭牌,标出了电动机的型号以及主要技术数据,以便能正确使用电动机。

图11所示为一台三相异步电动机的铭牌。

图11三相异步电动机铭牌

电动机型号(Y-112M-4):

指国产Y系列异步电动机,机座中心高度为112mm,“M”表示中机座(“L”表示长机座,“S”表示短机座),“4”表示旋转磁场为四极(P=2)。

额定功率PN(4.0kW):

表示电动机在额定工作状态下运行时输出的机械功率。

额定电压UN(380V):

表示定子绕组上应施加的线电压。

为了满足定子绕组对额定电压的要求,通常功率3kW以下的异步电动机,定子绕组作星形联结;功率在4kW以上时,定子绕组作三角形联结。

额定电流IN(8.8A):

表示电动机额定运行时定子绕组的线电流。

额定转速nN(1440r/min):

表示电动机在额定运行时转子的转速。

防护方式(IP44):

表示电动机外壳防护的方式为封闭式电动机。

频率f(50Hz):

表示电动机定子绕组输入交流电源的频率。

工作制(工作制S1):

表示电动机可以在铭牌标出的额定状态下连续运行。

S2为短时运行,S3为短时重复运行。

绝缘等级(B级绝缘):

表示电动机各绕组及其他绝缘部件所用绝缘材料的等级。

绝缘材料按耐热性能可分为Y、A、E、B、F、H、C七个等缉,见表2。

目前,国产Y系列电动机一般采用B级绝缘。

表2绝缘材料耐热性能等级

绝缘等级

Y

A

E

B

F

H

C

最高允许温度/℃

90

105

120

130

155

180

大于180

此外,铭牌上标注“LW82dB”是电动机的噪声等级。

除铭牌上标出的参数之外,在产品目录或电工手册中还有其他一些技术数据。

例如:

功率因数:

指在额定负载下定子等效电路的功率因数。

效率:

指电动机在额定负载时的效率,它等于额定状态下输出功率与输入功率之比,即

(4.7)

温升:

指在额定负载时,绕组的工作温度与环境温度的差值。

 

第四节单相异步电动机

单相异步电动机是由单相电源供电的小功率电动机,日常生活中的电风扇、电冰箱、洗衣机、

搅拌机等均采用单相异步电动机作动力。

由于单相异步电动机定子铁心上只有单相绕组,绕组中通的是单相交流电,所产生的磁通是

交变脉动磁通,它的轴线在空间上是固定不变的,这样的磁通不可能使转子起动旋转。

因此,必

须采取另外的起动措施。

下面介绍两种常用的笼型单相异步电动机的旋转原理。

一、电容分相式单相异步电动机

图12所示为电容分相式单相异步电动机的外形图和定子电路接线图,定子具有两个绕组

U1U2、V1V2,它们在空间互差90o。

其中,U1U2称为工作绕组,流过的电流为i2,;V1V2绕组

图12电容分相式单相异步电动机定子

中串有电容器,称为起动绕组,流过的电流为i1,;两个绕组接在同一单相交流电源上。

适当选择电容C的大小,可使两个绕组中的电流相位差为90o,这样在空间上互成90o的两相绕组通人互差90o的两相交流电,便产生了旋转磁场,如图13所示。

 

图13互差90o的两相电流的旋转磁场

在旋转磁场的作用下,电动机的转子就会沿旋转磁场方向旋转。

有的单相异步电动机不采用电容分相,而是采用在起动绕组中串入电阻的方法,使得两相绕组中的电流在相位上存在一定的角度,也可以产生旋转磁场。

二、罩极式单相异步电动机

罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式,转子仍为笼型。

如图14所示。

在定子磁极上开一个槽,将磁极分成两部分,在较小磁极上套一个短路铜环,称为罩极。

在磁极上绕有单相绕组,当通入单相交流电时,铁心中便产生交变磁通。

在交变磁通的作用下,铜环中产生感应电流。

由楞次定律可知,感应电流产生的磁场将阻碍原来磁场的变化,使罩极下穿过的磁通滞后于未罩铜环部分穿过的磁通,如同磁通总是从未罩部分向罩极移动。

总体上看,好像磁场在旋转,从而获得起动转矩。

图15示出了电流变化半周期磁通的变化情况。

图14罩极式单相异步电动机

 

图15罩极式单相异步电动机的旋转磁场

罩极上的铜环是固定的,而磁场总是从未罩部分向罩极移动,故磁场的转动方向是不变的,所以,罩极式单相异步电动机不能改变转向,它的起动转矩较分相式单相异步电动机的起动转矩小,一般用在空载或轻载起动的台扇、排风机等设备中。

第五节直流电动机

一、直流电动机的结构及转动原理

直流电动机主要由定子和转子两部分组成。

图5.24为直流电动机外形图和结构示意图,其中,N、S为直流电动机定子主磁极,主磁极上绕有励磁绕组。

线圈abcd装在可转动的圆柱形铁心上,合称电枢,线圈称为电枢绕组。

与电枢绕组两端相连的是两个彼此绝缘的圆弧形铜片,即换向片。

电刷AB紧压在换向片上并与外加直流电源相通。

电刷是固定不动的,而换向片随电枢一起转动,以此保证在电源极性不变的前提下,电枢绕组所受的电磁力始终维持电枢沿某一方向转动。

二、直流电动机的励磁方式

直流电动机定子磁极N、S的产生一般有两种方法,一种方法是用永久磁铁,另一种方法是广泛使用的给定子铁心上的励磁绕组通入直流电。

按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同,直流电动机可分为他励和自励两大类,自励又有并励、串励和复励三种,电路如图5.25所示。

图中If为励磁绕组中的电流,Ia为电枢绕组中的电流。

由于直流电动机的励磁方式不同,机械特性曲线也有所不同,如图5.26所示。

他励和并励直流电动机具有硬机械特性。

当负载增大时转速略有下降,但变化不大。

所以,这类电动机调速范围广,适用于需要调速的轧机、金属切削机床、纺织印染、造纸和印刷机械。

串励电动机具有软机械特性。

当负载增大时转速大幅下降,但当负载很轻或接近空载时,转速将很高。

电动机转速过高,将造成人身安全及设备事故。

因此,串励电动机绝对不允许在额定电压下空载运行。

为防止因负载滑脱造成事故,串励电动机与负载之间必须用连轴器或齿轮连接,不准用胶带传动。

这种电动机主要用于起重及交通运输机械上,如起重吊车、电瓶车、城市电车、电传动机车等。

 

 

复励电动机具有的机械特性曲线介于以上两种电动机机械特性曲线之间,适用于起动转矩较大,转速变化不大的负载,如冶金辅助机械、空气压缩机等。

 

实训一三相电动机正反转控制电路的安装与维护

一、实训目标

1、掌握三相异步电动机正反转的实现方法,学会正反转控制电路的安装与维护方法。

2、理解联锁的概念、意义及实现方法。

3、通过实训加强对三相电动机正反转控制电路的组成、工作原理的掌握。

二、实训器材

验电笔、斜口钳、尖嘴钳、剥线钳、螺丝刀、电工刀、剪刀、兆欧表、钳形电流表、万用表等实验所用低压电器及相关元件如表6—1-8所示。

表6—1-8三相电动机正反转控制电路实训器材表

名称

型号

规格

文字符号

数量

三相异步电动机

Y112M—4

380V,4kW,1420r/min,6.8A,△接法

M

1

熔断器

RL1-60/20

500V、60A、熔体20A

FUl

3

RL1-15/2

500V、15A、熔体2A

FU2

2

低压断路器

DZ5-20/330

额定电流20A、整定电流6.8A

QF

1

接触器

CJl0-10

线圈电压380V、10A

KM

2

热继电器

JR16-20/3

三相式、20A、整定电流6.8A

FR

1

按钮

LA25-11

SBl~SB3

红1、绿2

端子排

JD0-1020

380v、10A、20节

XT

1

线

主电路导线

BV-2.5

若干

控制电路

BV—1.5

若干

接按钮线

BVR-1

若干

接电动机线

BVR-1.5

三芯电缆线

保护接地线

BVR-2.5

控制板

600mm×450mm×20mm

1

三、实训内容与步骤

1、实训电路’

如图6-1—13所示利用接触器、复合按钮实现双重联锁的正反转控制电路。

2、想一想

试分析本实训控制电路是如何实现电动机的正反转控制的?

3、练一练、

(1)对主电路、控制电路进行编号。

(2)画元件布局图。

(3)画接线图(注意主电路相序的改变)。

4、实训操作及要求

(1)前期准备:

按本次实训电路确定并配齐所需规格的器材,并按要求进行检验。

复合按钮的常开触点、常闭触点需检测确认。

(2)元件布置:

在控制板上合理布置并安装控制器件,要求安装牢固并符合要求。

(3)线路敷设:

确定连接负载的接线端子位置,并合理布置和敷设线路。

注意两接触器用于联锁的常闭触点不能接错,否则会导致电路不能正常工作,甚至有短路隐患。

两接触器用

于自锁触点时不能互换,否则仅能实现点动控制。

(4)设备连接:

安装电动机及连接保护接地线来,用电缆线将电动机与控制板连接起来,注意电动机的正确接法。

(5)质量检验:

检查线路的正确性及安装质量。

(6)带电试车:

经指导教师检查无安全隐患后接三相电源,并在老师指导下通电试车。

试车时,采取先按正转按钮SBl或反转按钮SB2,后按停车按钮,检查控制是否正常;再校验由正转到反转,或反转到正转。

(7)故障排查:

若通电运行存在故障,须断电排查。

需带电检查时,须教师在场。

(8)完成试验报告及回答以下思考题。

实训二直流电动机的拆装维修

直流绕组在重绕之前,除了记录铭牌数据以外,还应对绕组的全部技术数据作详细记录,如

标定基准线圈、决定绕线方向、确定换向片节距、线圈宽度、线圈匝数、导线尺寸、绑线根数及宽度等。

然后参照交流绕组的拆卸方法,正确拆卸,并按规定进行重绕和嵌线。

1、直流电枢绕组的重绕及嵌线

1)绕组的加工工艺。

目前国产Z2系列直流电机、机座号为1-6号的电枢绕组,均采用绝缘的圆导线,7号机座以上的一般采用绝缘的扁导线。

采用绝缘圆导线的绕组,其制造工艺与交流定子绕组相同。

表6—4—1列出了Z2系列小型直流电机绕组元件的尺寸规格,表6—4—2列出该绕组的尺寸。

7号机座以上较大容量以及低电压、大电流的直流电机,电枢绕组一般都用绝缘扁线绕制,这类绕组的故障主要是绝缘损坏或烧毁。

因此,利用旧线重包导线绝缘,即可继续使用。

表6—4—1Z2系列小型直流电机绕组元件规格

名称

槽数

第一节距

换向片节距

符号

Z

y1

yK

单位

1

14

1-8

1

2

18

1-10

1

3

18

1-10

1

4

27

1-8

1-41

5

31

1-9

1-47

6

31

1-9

1~47

绕组包绝缘一般为半重叠包一层,材料有白纱带、绸带或玻璃丝带等,视原来绝缘等级而定。

绝缘包好后,表面刷一层薄的绝缘漆再阴干。

2)绝缘材料的选择。

直流电机常用的绝缘材料,分为主绝缘和辅助绝缘两部分。

主绝缘有聚酯薄膜、聚酯薄膜复合青壳纸,聚酯薄膜复合的玻璃漆布、层压板、绝缘套管、扎带等。

辅助绝缘材料的等级应该与主绝缘材料相同,有时允许低于主绝缘一个等级,但不能超过一个等级。

根据原来电机的绝缘等级选择好槽绝缘,其他各部分的绝缘不能低于所确定的槽绝缘等级,然后根据实际情况选用辅助绝缘材料,表6—4—3为直流电机电枢常用的槽绝缘材料。

表6—4—3常用直流电机槽绝缘材料

绝缘等级

槽绝缘材料

A级

2层0.07m

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