交流异步电动机特性

Electrical Engineering

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Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

本实验的目的是寻找三相感应电动机的等效电路参数, 并采用类似于变压器特性的测试方法。在电气工程中, 可以确定给定系统的等效电路 (或理论电路)。等效电路保留了原始系统的所有特性, 并用作简化计算的模型。另一个目的是在线性转矩速度区内操作马达。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 电气工程. 交流异步电动机特性. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

三相感应电动机是由三相电压或电流诱导三磁场。这些场叠加成一个累积磁场, 在恒定振幅的空间内旋转, 被称为定子磁场。磁场在金属转子杆或线圈中产生电流, 进而诱发其自身的磁场, 称为转子磁场。转子在定子内悬挂, 转子磁场试图锁定到旋转的定子磁场, 导致转子旋转。转子是典型的转子酒吧绑与结束环, 形成什么是俗称的 "松鼠笼"。

每相等效电路模型的定子和转子侧绕组电阻R1 r2, 分别, 由于泄漏电感的转子和定子之间的漏磁 (L1 是定子漏电电感和L2 是转子漏电电感)、相互磁化电感 (Lm 或电抗Xm) 和核心损耗等效电阻中的核心损失RC .这些类似于变压器的等效电路模型, 但包括转子磁场滞后的影响定子, 这是所谓的滑动。

为了找到电机的等效电路模型, 应进行多项试验 (空载、锁-转子、直流、负载试验)。这些测试需要了解马达额定值。对于额定电压为208伏特60赫兹, 以下应从铭牌上注明: 额定功率 (hp 和 W, 1 马力 = 746 w), 额定电流 (A) 和额定转速 (RPM 和 rad/秒)。从这些评级, 额定扭矩 (N·m) 可以找到除以额定功率在瓦特/秒的额定速度 (1 RPM = 2/60 rad/秒), 这是不显示在铭牌上。

要加载感应电机轴, 直流发电机 (测功机设置) 是机械耦合到轴。感应电动机充当发电机的原动力。由于发电机的电力负荷增加, 机械功率增加到发电机和出感应电机, 从而增加负载的感应电机轴。

Procedure

1. 直流测试

请注意, 松鼠笼感应机只有定子端子可供使用。

  1. 打开低功耗直流电源, 将电流限制在 1.8 A。
  2. 关闭电源。
  3. 连接两个感应马达端子 (标记为 A、B 和 C) 的电源端子。
  4. 打开电源并记录输出电压和电流。
  5. 对其他两个相组合重复。
    1. 请注意, 测量电阻是在串联两个阶段, 因此每相电阻是测量的一半。

2. 空载试验

测试无负载的感应电机以查找每相磁化分支参数Xm RC. 对于此测试, 请确保负载测功机的所有终端都已断开连接, 从而不产生任何电源并且不支持任何负载。

  1. 确保三相源已关闭。
  2. 检查调压器是否在 0%, 然后将调压器线连接至三相插座, 并将安装 (图 1) 接通。
  3. 双检查电路连接如图1所示, 然后打开三相位源。
  4. 快速增加调压器输出, 直到每个数字功率计读数约208五。
  5. 记录两米的电源、电压和电流读数。
  6. 使用闪光灯测量速度 (将频闪灯调至合理速度), 并将测量标记为ωo
  7. 在 N·m 或 ft 中记录扭矩读数, 并将测量标记为 To , 以防扭矩传感器或扭矩测量装置不能很好地校准。这是空载力矩。
  8. 将调压器设置回 0%, 然后关闭三相源。剩下的电路保持完好

Figure 1
图 1: 无负载测试的电气设置.请单击此处查看此图的较大版本.

3. 锁定转子试验

用类似于变压器短路试验的方式来测试感应机的锁定转子。使用此测试可以找到每相串联电阻和泄漏电感。对于此测试, 请确保负载测功机的所有端子已断开。

  1. 确保三相源已关闭。
  2. 检查调压器是否在0%。
  3. 如果测功机是数字控制的, 请使用机械夹具或零扭矩设置将转子锁定在测功机一侧。
  4. 请注意, 安装程序仍与图1的设置类似, 但锁定的转子除外。
  5. 双检查电路连接如图2所示。
  6. 打开三相源和感应机开关。
  7. 慢慢地, 小心地增加调压器直到额定电流达到一个或两个数字功率计。
  8. 记录两米的电源、电压和电流读数。
  9. 将调压器设置回 0%, 然后关闭三相源。剩下的电路保持完好

Figure 2
图 2: 负载测试的安装程序.请单击此处查看此图的较大版本.

4. 负载测试

使用此测试来跟踪感应电机的线性转矩转速特性。对于这个测试, 使用的功率计与并联领域作为一个发电机 (更多的在这个操作条件是在稍后的 DC 机器视频, 但电枢是发电机输出端口)。

  1. 确保三相源和感应机开关关闭。
  2. 检查调压器是否在0%。
  3. 从转子轴上取下锁紧钳。
  4. 连接电路 (图 2)。使用 RL= 300Ω, 但保持 SD关闭。
  5. 请勿使用系列字段。
  6. 检查电路, 然后打开三相源和感应机开关。
  7. 快速增加调压器输出, 直到每个数字功率计读数约208五。
  8. 记录两米的电源、电压和电流读数。
  9. 测量速度并将其标记为ω1。要测量速度, 调整 "粗" 频率旋钮在闪光灯灯, 直到轴看起来几乎静止, 然后微调频率设置使用 "罚款" 旋钮。
  10. 记录扭矩读数并将其标记为 T1
  11. 请注意, 此操作点 (ω1, T1) 与无负载相同, 因为字段绕组也充当与骨架并行的负载。由于 SD被以后打开, 并且 rl被减少, 因此负载增加, 因为 rL减少了负载电流。
  12. 打开 SD。测量速度并将其标记为ω2
  13. 记录扭矩读数并将其标记为 T2
  14. 关闭 SD。将 RL更改为200Ω, 然后打开 SD
  15. 测量速度并将其标记为ω3
  16. 记录扭矩读数并将其标记为 T3
  17. 打开 SD。将 RL更改为100Ω. 打开 SD
  18. 测量速度并将其标记为ω4
  19. 记录扭矩读数并将其标记为 T4
  20. 将调压器设置为 0%, 关闭三相位源, 然后拆卸电路。

交流感应电动机是现代工业的马, 因为它们简单、坚固、可靠。感应电动机只有两个主要部分。第一个是固定的部分称为定子, 它由固定线圈围绕一个腔体组成。悬浮在空腔中的是转子, 它是一对端环, 它是一条圆柱形的柱状排列。这通常被称为松鼠笼。这两个部件的电气参数提供了有关电机的效率和扭矩与转速的关系的信息。这对于确定应用程序的最佳马达尺寸和类型非常重要。本视频将介绍感应电动机操作的基本知识, 并演示如何确定三相异步电动机的等效电路模型。

三相交流异步电动机使用三相功率, 每个相连接到自己的单独的定子线圈集。线圈被安排在一个模式, 产生一个磁场为每个阶段的供电。由此产生的净磁场, 称为定子磁场, 以恒定的角速度旋转。旋转磁通在转子中感应电流, 类似于变压器将电源从主线圈转移到次绕组的方式。通过松鼠笼中的电流, 反过来创造自己的磁场, 称为感应转子磁场。这两个领域之间的相互作用产生了一个力的转子, 这导致是跟随定子磁场。就像一个铁条跟着磁铁的周围。如果转子精确地跟随磁场, 象这个酒吧, 则马达是同步的。然而, 在感应电动机中, 转子滞后于定子磁场。这种滞后, 称为滑动, 导致感应电动机是异步的。因此, 感应电动机的转速总是比同步速度慢。扭矩增加与减少滑移, 或当马达速度从同步减少, 直到某一点叫击穿扭矩。随着载荷的增加, 转速随着滑移量的增大而减小, 从而导致扭矩的减小。下面的实验将说明如何测量异步电动机的各种电气参数, 以便用等效电路模型来描述电动机。

下面的每个测试都需要了解转子额定值, 这些都是在马达的铭牌上打印出来的。对于额定电压为208伏特60赫兹, 记录额定功率的马力和瓦特。也记录额定电流在安培和额定速度在两次革命每分钟和弧度每秒。额定扭矩可以计算, 等于额定功率除以额定转速。感应电机轴驱动直流发电机。直流发电机的电气负荷与机械功率直接相关。反过来, 作为机械负载的感应电机。首先, 将直流电源电流限制设置为1.8 安培, 然后将其关闭。该直流测试测量的只是定子绕组的电阻, 因为只有定子端子是可访问的松鼠笼感应电动机。将电源输出连接到定子接线端子 A 和 b. 打开电源并记录输出电压和电流。对其他两相组合 B 和 c, 以及 c 和 A 重复此过程。对于每个相组合, 通过输出电流除以输出电压来计算电阻。如果为两个阶段串联, 所以每相电阻, R1, 是这个值的一半。定子绕组电阻取决于电机额定功率, 这是六欧姆的电机。

测试无负载感应电动机, 以获得进一步计算所需的测量值。首先, 断开直流发电机的所有端子或测功机的连接, 使其不产生任何动力, 也不为感应电动机提供机械负载。与三相电源关闭, 组装设备。将调压器设置为0% 输出, 并将其连接到三相插座。打开三相功率, 并迅速增加调压器输出, 直到每个数字功率计读数约208伏。记录电源, 电压和电流测量从两米。由两个数字功率计测量的功率之和是三相共同作用的功率消耗。1/3 这是一个阶段的权力。记录电机扭矩, 并指定它的 t-零, 空载扭矩。如果扭矩测量仪没有很好的校准, 则 t-0 不一定等于零。接下来, 使用闪光灯来测量电机的转速与空载, 这是接近其同步速度为 1800 RPM。调整课程, 找到频率旋钮, 直到轴看起来静止。马达速度通常在额定速度之间的名称板和同步速度。将频闪光频率从 rpm 转换为空载角旋转速度, ω0。将调压器恢复到0% 输出, 然后关闭三相电源。把其余的仪器完好无损

锁定转子试验测量电机固定时的电气参数, 不能旋转。在这种状态下, 转子和定子场之间的最大运动差发生。对于此测试, 请使用 "空载测试" 的设置, 并断开直流发电机或测功机的所有端子。与三相功率关闭和调压器在0% 输出, 锁定在直流电机一侧的转子与机械钳。除锁定转子外, 该装置与空载试验相同。打开三相功率和感应电动机。将调压器输出缓慢地增加到数字功率计的额定电流上。记录两米的电源、电压和电流。完成后, 将调压器设置为 0%, 然后关闭三相电源。

实际上, 定子绕组与变压器的主线圈具有相同的功能, 而转子相当于二次绕组。因此, 电动机可以使用类似于变压器的等效电路进行建模。然而, 电路被简化, 以消除理想的变压器部分, 并提到转子组件作为一个反射定子。每相等值电路包括定子绕组电阻, R1, 从直流试验计算。定子也表现出反对电流和电压的变化称为电抗 X1。转子参数从定子反射, 包括反射电阻, R2 素, 转子反射电抗, X2 素数。相互磁化电抗, XM 参数是一个等效的磁通在空气隙之间的转子和定子。最后, 在定子和转子之间发生了功率损失, 并被建模为核心损耗等效电阻, RC。所有这些值都可以从演示的测试中计算出来, 并在测试协议中详细说明。

交流感应电动机因其简单、耐用、可靠而在各种应用中得到广泛应用。在机械负荷变化的情况下, 通常根据其线性转矩速度选择感应电动机。负载测试跟踪的线性扭矩速度特性的机械负荷变化。对于此测试, 直流发电机, 或测功机, 连接到感应电机, 使其提供了一个控制负载的转子。该装置装配有负载电阻, R L, 300, 200, 或100欧姆。电源、电压和电流测量从连接的仪表记录。然后, 对扭矩读数和转速进行了测量, 并无负载阻力。一个情节的感应电机转矩速度特性将像这些曲线为四类 NEMA 电机。电子显微镜需要一个真空室来控制样品, 并使用一个可能有小型感应电动机的真空泵。在腔室的真空, 使电子传输到样品, 并从样品到成像设备。最后, 车床和其他机器车间设备可能使用更强大的三相感应电动机。由于其简单性和缺乏机械换向, 感应电动机可以承受沉重的使用, 减少失败的可能性。这种坚固耐用是一个明显的优势, 当制造金属零件。

你刚才看了朱庇特介绍交流感应电动机。现在, 您应该了解操作的基本原理以及如何执行测试以确定其等效电路参数。

Results

在寻找感应电机的等效电路参数时, 一个常见的错误是在每相等值电路的计算中使用三相测量的功率, 而三分之一的功率应该使用: 三阶段消耗测量的功率,因此, 有三分之一的电力是在一个阶段。

等效电路参数的计算类似于变压器, 但通常在计算机的 NEMA 帧上拆分x1 X2 。例如, 如果马达是 NEMA 帧 A 或 D, 然后X1 x2被假定为相等, 而如果该马达是 NEMA 帧 B, 则x1 x2将被拆分为40% 和60% 的xeq分别为, 如果电机为 NEMA 帧 C, 则分别为x1 x2 70% xeq。预期将发现x1 x2是 1-10% xm, R1 R2根据马达额定功率的不同, 按ω到多个ΩRC 将按数十到数百Ω的顺序排列, 因为它是多个大于r1 r2的数量级。

感应电机转矩-转速曲线的线性区域是使用负载试验发现的, 可以从空载到全负荷或速率加载条件。一个典型的扭矩速度曲线显示在图3中的几个 NEMA 帧和线性区域是最接近90-100% 速度的最右边的区域。

Figure 3
3: 各种 NEMA 帧的典型转矩速度曲线请单击此处查看此图的较大版本.

Applications and Summary

三相感应电机, 特别是异步电动机, 是现代工业的马。适当地表征感应电动机为工程师和技术员提供关于马达的效率和扭矩速度特性的信息。这些都是至关重要的, 以确定哪些电机的大小和帧最适合的应用程序。一旦电机的特点和扭矩速度曲线是已知的等效电路参数使用所描述的测试, 不同的 NEMA 帧有不同的曲线形状。例如, 电梯应用需要高启动扭矩;因此, 框架 (如 NEMA 帧 D) 比 A 或 B 更合适。当处理感应电机的整体部分的大系统消耗大量的能源 (, 冷水机组), 知道电机的等效电路参数可以提供良好的估计电机的效率和在大系统中对能源消耗的贡献。

1. 直流测试

请注意, 松鼠笼感应机只有定子端子可供使用。

  1. 打开低功耗直流电源, 将电流限制在 1.8 A。
  2. 关闭电源。
  3. 连接两个感应马达端子 (标记为 A、B 和 C) 的电源端子。
  4. 打开电源并记录输出电压和电流。
  5. 对其他两个相组合重复。
    1. 请注意, 测量电阻是在串联两个阶段, 因此每相电阻是测量的一半。

2. 空载试验

测试无负载的感应电机以查找每相磁化分支参数Xm RC. 对于此测试, 请确保负载测功机的所有终端都已断开连接, 从而不产生任何电源并且不支持任何负载。

  1. 确保三相源已关闭。
  2. 检查调压器是否在 0%, 然后将调压器线连接至三相插座, 并将安装 (图 1) 接通。
  3. 双检查电路连接如图1所示, 然后打开三相位源。
  4. 快速增加调压器输出, 直到每个数字功率计读数约208五。
  5. 记录两米的电源、电压和电流读数。
  6. 使用闪光灯测量速度 (将频闪灯调至合理速度), 并将测量标记为ωo
  7. 在 N·m 或 ft 中记录扭矩读数, 并将测量标记为 To , 以防扭矩传感器或扭矩测量装置不能很好地校准。这是空载力矩。
  8. 将调压器设置回 0%, 然后关闭三相源。剩下的电路保持完好

Figure 1
图 1: 无负载测试的电气设置.请单击此处查看此图的较大版本.

3. 锁定转子试验

用类似于变压器短路试验的方式来测试感应机的锁定转子。使用此测试可以找到每相串联电阻和泄漏电感。对于此测试, 请确保负载测功机的所有端子已断开。

  1. 确保三相源已关闭。
  2. 检查调压器是否在0%。
  3. 如果测功机是数字控制的, 请使用机械夹具或零扭矩设置将转子锁定在测功机一侧。
  4. 请注意, 安装程序仍与图1的设置类似, 但锁定的转子除外。
  5. 双检查电路连接如图2所示。
  6. 打开三相源和感应机开关。
  7. 慢慢地, 小心地增加调压器直到额定电流达到一个或两个数字功率计。
  8. 记录两米的电源、电压和电流读数。
  9. 将调压器设置回 0%, 然后关闭三相源。剩下的电路保持完好

Figure 2
图 2: 负载测试的安装程序.请单击此处查看此图的较大版本.

4. 负载测试

使用此测试来跟踪感应电机的线性转矩转速特性。对于这个测试, 使用的功率计与并联领域作为一个发电机 (更多的在这个操作条件是在稍后的 DC 机器视频, 但电枢是发电机输出端口)。

  1. 确保三相源和感应机开关关闭。
  2. 检查调压器是否在0%。
  3. 从转子轴上取下锁紧钳。
  4. 连接电路 (图 2)。使用 RL= 300Ω, 但保持 SD关闭。
  5. 请勿使用系列字段。
  6. 检查电路, 然后打开三相源和感应机开关。
  7. 快速增加调压器输出, 直到每个数字功率计读数约208五。
  8. 记录两米的电源、电压和电流读数。
  9. 测量速度并将其标记为ω1。要测量速度, 调整 "粗" 频率旋钮在闪光灯灯, 直到轴看起来几乎静止, 然后微调频率设置使用 "罚款" 旋钮。
  10. 记录扭矩读数并将其标记为 T1
  11. 请注意, 此操作点 (ω1, T1) 与无负载相同, 因为字段绕组也充当与骨架并行的负载。由于 SD被以后打开, 并且 rl被减少, 因此负载增加, 因为 rL减少了负载电流。
  12. 打开 SD。测量速度并将其标记为ω2
  13. 记录扭矩读数并将其标记为 T2
  14. 关闭 SD。将 RL更改为200Ω, 然后打开 SD
  15. 测量速度并将其标记为ω3
  16. 记录扭矩读数并将其标记为 T3
  17. 打开 SD。将 RL更改为100Ω. 打开 SD
  18. 测量速度并将其标记为ω4
  19. 记录扭矩读数并将其标记为 T4
  20. 将调压器设置为 0%, 关闭三相位源, 然后拆卸电路。

交流感应电动机是现代工业的马, 因为它们简单、坚固、可靠。感应电动机只有两个主要部分。第一个是固定的部分称为定子, 它由固定线圈围绕一个腔体组成。悬浮在空腔中的是转子, 它是一对端环, 它是一条圆柱形的柱状排列。这通常被称为松鼠笼。这两个部件的电气参数提供了有关电机的效率和扭矩与转速的关系的信息。这对于确定应用程序的最佳马达尺寸和类型非常重要。本视频将介绍感应电动机操作的基本知识, 并演示如何确定三相异步电动机的等效电路模型。

三相交流异步电动机使用三相功率, 每个相连接到自己的单独的定子线圈集。线圈被安排在一个模式, 产生一个磁场为每个阶段的供电。由此产生的净磁场, 称为定子磁场, 以恒定的角速度旋转。旋转磁通在转子中感应电流, 类似于变压器将电源从主线圈转移到次绕组的方式。通过松鼠笼中的电流, 反过来创造自己的磁场, 称为感应转子磁场。这两个领域之间的相互作用产生了一个力的转子, 这导致是跟随定子磁场。就像一个铁条跟着磁铁的周围。如果转子精确地跟随磁场, 象这个酒吧, 则马达是同步的。然而, 在感应电动机中, 转子滞后于定子磁场。这种滞后, 称为滑动, 导致感应电动机是异步的。因此, 感应电动机的转速总是比同步速度慢。扭矩增加与减少滑移, 或当马达速度从同步减少, 直到某一点叫击穿扭矩。随着载荷的增加, 转速随着滑移量的增大而减小, 从而导致扭矩的减小。下面的实验将说明如何测量异步电动机的各种电气参数, 以便用等效电路模型来描述电动机。

下面的每个测试都需要了解转子额定值, 这些都是在马达的铭牌上打印出来的。对于额定电压为208伏特60赫兹, 记录额定功率的马力和瓦特。也记录额定电流在安培和额定速度在两次革命每分钟和弧度每秒。额定扭矩可以计算, 等于额定功率除以额定转速。感应电机轴驱动直流发电机。直流发电机的电气负荷与机械功率直接相关。反过来, 作为机械负载的感应电机。首先, 将直流电源电流限制设置为1.8 安培, 然后将其关闭。该直流测试测量的只是定子绕组的电阻, 因为只有定子端子是可访问的松鼠笼感应电动机。将电源输出连接到定子接线端子 A 和 b. 打开电源并记录输出电压和电流。对其他两相组合 B 和 c, 以及 c 和 A 重复此过程。对于每个相组合, 通过输出电流除以输出电压来计算电阻。如果为两个阶段串联, 所以每相电阻, R1, 是这个值的一半。定子绕组电阻取决于电机额定功率, 这是六欧姆的电机。

测试无负载感应电动机, 以获得进一步计算所需的测量值。首先, 断开直流发电机的所有端子或测功机的连接, 使其不产生任何动力, 也不为感应电动机提供机械负载。与三相电源关闭, 组装设备。将调压器设置为0% 输出, 并将其连接到三相插座。打开三相功率, 并迅速增加调压器输出, 直到每个数字功率计读数约208伏。记录电源, 电压和电流测量从两米。由两个数字功率计测量的功率之和是三相共同作用的功率消耗。1/3 这是一个阶段的权力。记录电机扭矩, 并指定它的 t-零, 空载扭矩。如果扭矩测量仪没有很好的校准, 则 t-0 不一定等于零。接下来, 使用闪光灯来测量电机的转速与空载, 这是接近其同步速度为 1800 RPM。调整课程, 找到频率旋钮, 直到轴看起来静止。马达速度通常在额定速度之间的名称板和同步速度。将频闪光频率从 rpm 转换为空载角旋转速度, ω0。将调压器恢复到0% 输出, 然后关闭三相电源。把其余的仪器完好无损

锁定转子试验测量电机固定时的电气参数, 不能旋转。在这种状态下, 转子和定子场之间的最大运动差发生。对于此测试, 请使用 "空载测试" 的设置, 并断开直流发电机或测功机的所有端子。与三相功率关闭和调压器在0% 输出, 锁定在直流电机一侧的转子与机械钳。除锁定转子外, 该装置与空载试验相同。打开三相功率和感应电动机。将调压器输出缓慢地增加到数字功率计的额定电流上。记录两米的电源、电压和电流。完成后, 将调压器设置为 0%, 然后关闭三相电源。

实际上, 定子绕组与变压器的主线圈具有相同的功能, 而转子相当于二次绕组。因此, 电动机可以使用类似于变压器的等效电路进行建模。然而, 电路被简化, 以消除理想的变压器部分, 并提到转子组件作为一个反射定子。每相等值电路包括定子绕组电阻, R1, 从直流试验计算。定子也表现出反对电流和电压的变化称为电抗 X1。转子参数从定子反射, 包括反射电阻, R2 素, 转子反射电抗, X2 素数。相互磁化电抗, XM 参数是一个等效的磁通在空气隙之间的转子和定子。最后, 在定子和转子之间发生了功率损失, 并被建模为核心损耗等效电阻, RC。所有这些值都可以从演示的测试中计算出来, 并在测试协议中详细说明。

交流感应电动机因其简单、耐用、可靠而在各种应用中得到广泛应用。在机械负荷变化的情况下, 通常根据其线性转矩速度选择感应电动机。负载测试跟踪的线性扭矩速度特性的机械负荷变化。对于此测试, 直流发电机, 或测功机, 连接到感应电机, 使其提供了一个控制负载的转子。该装置装配有负载电阻, R L, 300, 200, 或100欧姆。电源、电压和电流测量从连接的仪表记录。然后, 对扭矩读数和转速进行了测量, 并无负载阻力。一个情节的感应电机转矩速度特性将像这些曲线为四类 NEMA 电机。电子显微镜需要一个真空室来控制样品, 并使用一个可能有小型感应电动机的真空泵。在腔室的真空, 使电子传输到样品, 并从样品到成像设备。最后, 车床和其他机器车间设备可能使用更强大的三相感应电动机。由于其简单性和缺乏机械换向, 感应电动机可以承受沉重的使用, 减少失败的可能性。这种坚固耐用是一个明显的优势, 当制造金属零件。

你刚才看了朱庇特介绍交流感应电动机。现在, 您应该了解操作的基本原理以及如何执行测试以确定其等效电路参数。

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