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1、天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書題目:三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 指導(dǎo)老師: 班 級(jí): 機(jī) 檢1112班 組 員 天津工程師范學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 機(jī)械工程 學(xué)院 機(jī)檢1112 班 學(xué)生 課程設(shè)計(jì)課題:三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真一、課程設(shè)計(jì)工作日自 2015 年 1 月 12 日至 2015 年 1 月 23 日二、同組學(xué)生: 三、課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求包括課題來(lái)源、類型、目的和意義、基本要求、完成時(shí)間、主要參考資料等:1、目的和意義交流調(diào)速是一門重要的專業(yè)必修課,它具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。為了加深對(duì)所學(xué)課程模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電機(jī)與拖動(dòng)、電力電子變流
2、技術(shù)等的理解以及靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)的能力,特開設(shè)為期一周的課程設(shè)計(jì)。2、具體內(nèi)容寫出設(shè)計(jì)說(shuō)明書,內(nèi)容包括:1各主要環(huán)節(jié)的工作原理;2整個(gè)系統(tǒng)的工作原理包括啟動(dòng)、制動(dòng)以及邏輯切換過(guò)程;3調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算過(guò)程。2畫出一張?jiān)敿?xì)的電氣原理圖;3采用Matlab中的Simulink軟件對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,對(duì)計(jì)算得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行校正,驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。將Simulink仿真模型,以及啟動(dòng)過(guò)程中的電流、轉(zhuǎn)速波形圖附在設(shè)計(jì)說(shuō)明書中。 4、考核方式1周五采用口試方式進(jìn)行考核以小組為單位,成績(jī)按百分制評(píng)定。其中小組分?jǐn)?shù)占60%,個(gè)人成績(jī)占40%包括口試情
3、況和上交材料內(nèi)容;2每天上午8:30-11:30在綜合樓226房間答疑。五、參考文獻(xiàn)1、陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第3版機(jī)械工業(yè)出版社,2003指導(dǎo)教師簽字: 教研室主任簽字: 學(xué)習(xí)文檔 僅供參考目錄第一章 緒論2第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案42.1 概述42.2系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及工作原理42.2.1恒壓頻比控制下的機(jī)械特性42.2.2變頻器62.2.3變頻器主電路工作原理62.2.4整流電路72.2.5逆變電路72.2.6調(diào)節(jié)器92.2.7啟動(dòng)制動(dòng)10第三章 硬件設(shè)計(jì)及選型113.1主電路的設(shè)計(jì)113.2整流電路設(shè)計(jì)113.3逆變電路的設(shè)計(jì)12第四章 simulink仿真134.1建立
4、模型134.2 未變頻時(shí)仿真結(jié)果144.3變頻時(shí)仿真結(jié)果基頻以下調(diào)速154.4變頻時(shí)仿真結(jié)果基頻以上調(diào)速17關(guān)于變頻調(diào)速的總結(jié)18附電氣圖19參考文獻(xiàn)19第一章 緒論在交流調(diào)速中,交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種:變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),并且它的調(diào)速性能和可靠性不斷完善,價(jià)格不斷降低。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電,并可以構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器可以將原先固定的電壓和頻率的交流電源轉(zhuǎn)換為可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的交流電,所以變頻器已經(jīng)成為當(dāng)今交流調(diào)速的核心部件。1變頻調(diào)速是一種經(jīng)典的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法,交流電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,而且可以根據(jù)
5、負(fù)載的不同,通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系,使電動(dòng)機(jī)始終在高效率區(qū)運(yùn)行,并且保證良好的動(dòng)態(tài)性能,因而被廣泛使用。6目前,應(yīng)用較為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下幾種:1. 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)所謂轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速就是采用開環(huán)、恒壓頻比,并且?guī)У皖l電壓補(bǔ)償?shù)目刂品绞?。該控制系統(tǒng)成本低及其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所以多用于風(fēng)機(jī)等的節(jié)能調(diào)速上面。2. 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差率控制的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)利用電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),在轉(zhuǎn)差率S很小的范圍內(nèi),當(dāng)磁通不變時(shí),轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率成正比的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)較高性能調(diào)速,但其動(dòng)態(tài)性能不夠。3. 轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制的電流滯環(huán)型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)。應(yīng)用矢量控制理論,對(duì)轉(zhuǎn)速、磁鏈進(jìn)行分別控
6、制,采用了滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器,所以其動(dòng)態(tài)性能很好,還配有精確的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器,則系統(tǒng)都到達(dá)與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。6研究意義:生產(chǎn)機(jī)械通過(guò)電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)來(lái)進(jìn)行預(yù)定的生產(chǎn)方式。直流電動(dòng)機(jī)可方便地進(jìn)行淵速,但直流電動(dòng)機(jī)體積大、造價(jià)高,并且無(wú)節(jié)能效果。而交流體積小、價(jià)格低廉、運(yùn)行性能優(yōu)良、重量輕,因此對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的凋速具有重大的實(shí)用性。使用調(diào)速技術(shù)后,生產(chǎn)機(jī)械的控制精度可大為提高,并能夠較大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,而且可對(duì)諸多生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施自動(dòng)控制。通過(guò)大量的理論研究和實(shí)驗(yàn),人們逐漸認(rèn)識(shí)到對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,不僅能使電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的控制性能,而且在許多場(chǎng)合中,還具有非
7、常顯著的節(jié)能效果。鑒于多種調(diào)速方式中,交流變頻調(diào)速具有系統(tǒng)體積小,重量輕、控制精度高、保護(hù)功能完善、工作安全可靠、操作過(guò)程簡(jiǎn)單,通用性強(qiáng),使傳動(dòng)控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能,同時(shí)節(jié)能效果明顯,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著。尤其當(dāng)與電腦通信相配合時(shí),使得變頻控制更加安全可靠,易于操作(由于電腦控制程序具有良好的人機(jī)交互功能),變頻技術(shù)必將在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮巨大的作用,讓工業(yè)自動(dòng)化程度得到更大的提高。45第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1 概述本系統(tǒng)采用恒壓頻比開環(huán)交流控制。通過(guò)外部線路控制電機(jī)啟動(dòng)制動(dòng);通過(guò)三相調(diào)制波調(diào)節(jié)電機(jī)速度;變頻器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為需要的電壓與頻率;測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速并反饋回控制回路。系統(tǒng)
8、原理圖如以下圖2.1所示: 圖2-1 恒壓頻比開環(huán)交流控制系統(tǒng)2.2系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.1恒壓頻比控制下的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),由 此式說(shuō)明,對(duì)于同一負(fù)載要求,即以一定的轉(zhuǎn)速 在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 下運(yùn)行時(shí),電壓和頻率可以有多種組合,其中恒壓頻比恒值最容易實(shí)現(xiàn)的。它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移,硬度也較好,能滿足一般的調(diào)速要求。但是低速帶載能力還較差,需對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償為了近似的保持氣隙磁通不便,以便充分利用電機(jī)鐵心,發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力,在基頻以下采用恒壓頻比控制,實(shí)行恒壓頻比控制時(shí),同步轉(zhuǎn)速自然也隨著頻率變化因此帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為 在機(jī)械特性近似直線段上。可以導(dǎo)出
9、 由此可見(jiàn),當(dāng)為恒值時(shí),對(duì)同一轉(zhuǎn)矩,是基本不變的,因而也是基本不變的,也就是說(shuō),在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí),機(jī)械特性基本上是平行下移的,它們和直流他激電機(jī)調(diào)速時(shí)特性變化情況近似,所不同的是,當(dāng)轉(zhuǎn)矩到達(dá)最大值以后,轉(zhuǎn)速再降低,特性就折回來(lái)了。而且頻率越低的時(shí)候轉(zhuǎn)矩越小對(duì)前式整理可得出為恒值時(shí)最大轉(zhuǎn)矩隨角頻率的變化關(guān)系為 可見(jiàn),是隨著的降低而減小的,頻率很低時(shí),太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力,采用定子壓降補(bǔ)償,適當(dāng)提高電壓 可以增強(qiáng)帶載能力。2.2.2變頻器 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交-直-交VVVF變頻或矢量控制變頻,
10、先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器,逆變部分為IGBT三相橋式逆變器,且輸出為PWM波形,中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。2.2.3變頻器主電路工作原理變頻調(diào)速實(shí)際上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成:主電路和控制電路,其中主電路通常采用交-直-交方式,先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流,濾波),再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電逆變。圖2.2 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路
11、2.2.4整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。目前在各種整流電路中,應(yīng)用最廣泛的是三相橋式全控整流電路,三相橋式全控整流電路每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管導(dǎo)通,而且這兩個(gè)晶閘管一個(gè)是共陰極組,一個(gè)是共陽(yáng)極組,只有它們能同時(shí)導(dǎo)通,才能形成導(dǎo)電回路。由于整流電路原理比較簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)中不再做詳細(xì)的介紹,其原理如圖2.3所示。圖2.3 三相橋式全控整流電路2.2.5逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過(guò)程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器,它是變頻器的主要組成部分,電壓性逆變器的工作原理如下:1單相逆變電路在圖2.3的單相逆變電路的原理圖中:當(dāng)、同時(shí)閉合時(shí),電壓為正;、同時(shí)閉合時(shí), 電壓為負(fù)。由于開關(guān)的
12、輪番通斷,從而將直流電壓逆變成了交流電壓??梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€(gè)周期中,一個(gè)臂中的兩個(gè)開關(guān)如:、交替導(dǎo)通,每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通電角度。因此交流電的周期頻率可以通過(guò)改變開關(guān)通斷的速度來(lái)調(diào)節(jié),交流電壓的幅值為直流電壓幅值。圖2.4 單相逆變器原理圖2三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見(jiàn)圖2.4所示。圖2.4中,組成了橋式逆變電路,這6個(gè)開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位互相差的三相交流電壓。當(dāng)、閉合時(shí),為正;、閉合時(shí),為負(fù)。用同樣的方法得:當(dāng)、同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合,得到,同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合,得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差;各開關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律,其規(guī)律在圖2.4b中已
13、標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得、波形如圖2.4c 所示。a結(jié)構(gòu)圖 b) 開關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖圖2.5三相逆變器原理圖上述分析說(shuō)明,通過(guò)6個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電,只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率,當(dāng)然交流電的幅值可通過(guò)的大小來(lái)調(diào)節(jié)。2.2.6調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器將生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較,得出偏差后根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)推動(dòng)執(zhí)行器消除偏差量,使該參數(shù)保持在給定值附近或按預(yù)定規(guī)律變化的控制器用于運(yùn)動(dòng)控制的調(diào)節(jié)器有:比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器等。I調(diào)節(jié)器特點(diǎn)(1) 積累作用;(2) 記憶作用;(3) 延緩作用。PI調(diào)節(jié)
14、器特點(diǎn)(1) 積累作用;(2) 記憶作用;(3) 快速響應(yīng)。 PD調(diào)節(jié)器特點(diǎn)(1) 抑制變化;(2) 快速響應(yīng)PID調(diào)節(jié)器特點(diǎn)(1) 消除累積誤差作用;(2) 抑制變化作用;(3) 快速跟隨響應(yīng)。 本次設(shè)計(jì)是采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.2.7啟動(dòng)制動(dòng) 通過(guò)電氣元件控制該電機(jī)的啟動(dòng)制動(dòng),原理圖如下所示:圖2.6 電氣原理圖SB1為啟動(dòng)按鈕,SB2為制動(dòng)按鈕。按下SB1,繼電器KM1得電吸合并保持,變頻器接入電網(wǎng),將頻率轉(zhuǎn)換后輸送給電機(jī)啟動(dòng);按下SB2,KM1失電解除自鎖,變頻器與電網(wǎng)斷開,電機(jī)制動(dòng)。第三章 硬件設(shè)計(jì)及選型3.1主電路的設(shè)計(jì)主電路為單相全橋逆變電路,主開關(guān)管采用GT
15、R,輸出100V,50-400Hz頻率可調(diào)的交流電壓,由單極性PWM波來(lái)控制該逆變電源。該系統(tǒng)主電路如圖3.2所示,采用交-直-交電壓源變頻器結(jié)構(gòu)。圖3.1 PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路圖3.2整流電路設(shè)計(jì)用三相橋式不可控整流電路將交流電整流成直流電,電路如圖5.1左半部分由6個(gè)二極管組成。通過(guò)二極管的峰值電流為:通過(guò)二極管電流的有效值:二極管電流額定值:整流二極管的額定電壓為:根據(jù)上面計(jì)算的電壓和電流以及市場(chǎng)價(jià)格和供貨情況,實(shí)際選用的整流二極管為5A、1000V。3.3逆變電路的設(shè)計(jì)逆變電路的功率器件選用6個(gè)GTR和6個(gè)快速續(xù)流二極管。IGBT正反向峰值電壓為:考慮到23倍的安全系數(shù),取耐壓值為
16、1000V。通態(tài)峰值電流:考慮1.52倍安全系數(shù),取電流額定值為5A。續(xù)流二極管的耐壓和續(xù)流計(jì)算與上相同,考慮到市場(chǎng)價(jià)格和供貨情況,實(shí)際選用GTR為GT25Q101,續(xù)流二極管為MUR860。驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM波可由單片機(jī)控制發(fā)出,此處不作說(shuō)明。第四章 simulink仿真4.1建立模型建立三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速仿真模型,可以采用simulink提供的仿真模塊,如交流電源,電壓測(cè)量,異步電機(jī),電機(jī)測(cè)量等。其中,三相交流電源位于【Power System】的Power Electronics中,將三相交流電源的頻率設(shè)置成50,電壓值設(shè)置的與電機(jī)的電壓相同。電壓表位于【Power System】的M
17、easurement中,異步電機(jī)模塊位于【Power System】庫(kù)的Machines中,雙擊電機(jī)模型,設(shè)置其參數(shù),設(shè)置如圖4.1所示,設(shè)置增益K的值為30/3.14其仿真圖形如以下圖4.2所示。 圖4.1異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置圖4.2變頻調(diào)速仿真模型這是個(gè)簡(jiǎn)單的電機(jī)調(diào)速仿真系統(tǒng),雖然簡(jiǎn)單但是仍然要觀察電機(jī)的性能指標(biāo),其中比方超調(diào),調(diào)節(jié)時(shí)間等。上升時(shí)間是輸出響應(yīng)從零開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。越小,表示初始響應(yīng)速度越快。由自動(dòng)控制原理可知,系統(tǒng)的快,穩(wěn)是相對(duì)矛盾的,兩者是沖突的,一般我們都在尋找一個(gè)兩者最正確的平衡點(diǎn)。由于初始設(shè)定的頻率為50,根據(jù)可知應(yīng)該為1500r/min。4.2 未變
18、頻時(shí)仿真結(jié)果圖4.3 仿真結(jié)果由上到下分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖4.4 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由圖可知,根據(jù)公式可知,轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1487r/min,同時(shí)在0.8s左右,電機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)標(biāo)準(zhǔn),與預(yù)定結(jié)果差入不大。4.3變頻時(shí)仿真結(jié)果基頻以下調(diào)速改變電源頻率,將其變?yōu)?0,由于這是基頻以下調(diào)速,所以為了防止磁路的飽和,當(dāng)降低定子電源頻率時(shí),保持常數(shù),因此電壓要相應(yīng)的改變成320v,重新運(yùn)行仿真模型,得到仿真結(jié)果如圖4.5所示。圖4.5 仿真結(jié)果由上到下分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖4.6 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由圖可知,根據(jù)公式可知,轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1179r/min,略小于1200 r/min同
19、時(shí)在0.75s左右,電機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)標(biāo)準(zhǔn),與預(yù)定結(jié)果差入不大。反應(yīng)時(shí)間也變短了,也就是說(shuō)反應(yīng)更快了。4.4變頻時(shí)仿真結(jié)果基頻以上調(diào)速改變電源頻率,將其變?yōu)?0,由前面的理論知識(shí)可知,基頻以上調(diào)速時(shí)電源電壓是不變的,重新運(yùn)行仿真模型,得到仿真圖形如圖4.7所示。 圖4.7 仿真結(jié)果由上到下分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖4.8 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由圖可知,轉(zhuǎn)速約為1770r/min,略小于1800 r/min,滿足這個(gè)公式的理論計(jì)算結(jié)果,不過(guò)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間與基頻以上調(diào)整時(shí)的響應(yīng)時(shí)間要大的多,同時(shí),如果將頻率進(jìn)行更細(xì)微的調(diào)整,轉(zhuǎn)速也會(huì)有相應(yīng)細(xì)微的變化。關(guān)于變頻調(diào)速的總結(jié) 該仿真只是從原理上揭示了變頻調(diào)速的機(jī)制,與通常的變頻調(diào)速系統(tǒng)不是同一回事,該變頻調(diào)速主要是從公式入手,通過(guò)改變電源頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之變化。根據(jù)變頻調(diào)速與變極調(diào)速,調(diào)壓調(diào)速的比照,可以知道變頻調(diào)速的一些特點(diǎn)與性能:1變頻調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)稱變頻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,容量有限。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,變頻器向著簡(jiǎn)單可靠、性能優(yōu)異、價(jià)格廉價(jià)、操作方便等趨勢(shì)發(fā)
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