CN111913388A - 一种储能元件控制电路及合闸线圈控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能元件控制电路及合闸线圈控制系统,无外部电源输入时,储能元件上的电压将控制开关电路中的开关管导通,接通开关管与能量消耗电路之间的连接,通过能量消耗电路将储能元件上的电压消耗,直到断电监测电路提示储能元件没有未释放的能量,避免了安全事故的发生;有外部电源输入时,外部电源使控制开关电路中的开关管关断,断开开关管与能量消耗电路之间的连接,储能元件上的电压不能通过能量消耗电路消耗,而为合闸线圈提供能量,且断电监测电路提示储能元件有能量;该储能元件控制电路结构简单可靠,能够实现储能元件的快速自放电,同时是否还保有能量可以通过断电监测电路来提示,消除了安全隐患。
Description
技术领域
本发明属于电路设计领域,尤其涉及一种储能元件控制电路及合闸线圈控制系统。
背景技术
目前应用于电力机车及电动车组用的TDV10直立式真空断路器具有开断容量大、机械寿命长、环境适应性好、高度集成化的特点,并且TDV10直立式真空断路器驱动机构具有良好的兼容性能。但是其气动式驱动机构的缺点如零部件较多、安装空间大、质量大、对气路气密性要求高、噪音大是需要改进的地方。
基于以上特点,使用电磁式驱动机构替换TDV10直立式真空断路器原有空气驱动机构,在满足其分、合闸性能的条件下,可以进一步完善真空断路器驱动方式。常见的电磁式驱动机构主要采用永磁式保持方式,而这类永磁式的保持方式因其易消磁、不稳定的特性,无法适用于振动环境较为恶劣的轨道交通行业。因此,使用采用保持线圈的电磁驱动机构。
采用保持线圈的电磁驱动机构包括三个主要组成部分:1、电磁铁:实际的动作单元,通过储能元件提供的电能使合闸线圈产生电磁力吸引动铁心连动操动杆来达成合闸动作,并且在合闸期间利用保持线圈的电磁力保证真空断路器不会误动,消磁线圈在分闸时抵消保持线圈的吸力,保证分闸的快速动作。2、储能元件:储存电磁铁的合闸所需的能量,在合闸操作完成后开始充电。3、控制单元:负责调整电磁铁的各项参数,如储能元件的能量,分合闸的时间和速度等。
由于电磁驱动机构的储能元件中储存着合闸所需的能量,一般在110V以上。在电磁式真空断路器外部电源断电检修的过程中,电磁驱动机构中用于提供能量给电磁铁合闸的储能元件中仍有未经释放的能量,可能对检修人员造成威胁,存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能元件控制电路及合闸线圈控制系统,以解决电磁驱动机构的储能元件中保有未释放的能量而可能造成安全事故等问题
本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个或多个。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的:一种储能元件控制电路,应用于电磁式真空断路器,包括断电监测电路、控制开关电路以及能量消耗电路;所述控制开关电路的输入端与外部电源连接,控制开关电路的输出端与能量消耗电路连接;所述断电监控电路的第一端与控制开关电路连接,断电监控电路的第二端与能量消耗电路连接;所述储能元件的第一端与断电监控电路的第二端连接,储能元件的第二端与控制开关电路连接;
所述控制开关电路关断时,储能元件不通过能量消耗电路放电;所述控制开关电路导通时,储能元件通过能量消耗电路放电。
本发明的储能元件控制电路,无外部电源输入时,储能元件上的电压将控制开关电路中的开关管导通,从而接通开关管与能量消耗电路之间的连接,通过能量消耗电路将储能元件上的电压消耗,直到断电监测电路提示储能元件上没有未释放的能量,避免了安全事故的发生;有外部电源输入时,外部电源使控制开关电路中的开关管关断,从而断开开关管与能量消耗电路之间的连接,储能元件上的电压不能通过能量消耗电路消耗,而是为后续的合闸线圈提供能量,且断电监测电路提示储能元件有能量;该储能元件控制电路结构简单可靠,能够实现储能元件的快速自放电,同时是否还保有能量可以通过断电监测电路来提示,消除了安全隐患,保证了检修人员的安全。
进一步地,所述控制开关电路包括第一电阻、光电耦合器、第一电容、稳压管、第二电阻、第一MOS管以及第二电容;所述光电耦合器的输入端与第一电阻串联后再与外部电源连接,光电耦合器的输出端与由稳压管和第一电容构成的并联电路并联;所述光电耦合器的输出端还通过第二电阻与第一MOS管的栅极连接,第一MOS管的漏极与第二电容的第一端连接,第二电容的第二端分别与第一MOS管的源极、光电耦合器连接;
所述断电监测电路包括第三电阻和发光二极管,所述第三电阻的第一端与发光二极管的正极连接,第三电阻的第二端与能量消耗电路连接;发光二极管的负极与光电耦合器的输出端连接;
所述能量消耗电路包括第四电阻,所述第四电阻的第一端与第一MOS管的漏极连接,第四电阻的第二端与第三电阻的第二端连接;所述储能元件的第一端与第三电阻的第二端连接,储能元件的第二端与第一MOS管的源极连接。
无外部电源输入时,光电耦合器的二极管无电流通过,光电耦合器的开关元件关断,储能元件上的能量通过稳压管稳压后,再通过第二电阻限流使第一MOS管导通,储能元件上的能量通过第四电阻发热来消耗,同时发光二极管由亮到灭,表明储能元件上的能量释放过程;有外部电源输入时,光电耦合器的二极管有电流通过,光电耦合器的开关元件导通,使第一MOS管关断,储能元件上的能量供给后续的合闸线圈,发光二极管常亮,表示储能元件上有能量。第一电阻和第二电阻为限流电阻,第一电容为滤波电容,保证稳压管工作在稳定状态,从而使第一MOS管的导通和关断响应准确;第二电容用于吸收第一MOS管关断时的过电压,防止第一MOS管过压烧毁;第四电阻为能量消耗电阻,能够耐脉冲,且放电过程安全可靠;采用光电耦合器+第一MOS管的结构保证了放电响应迅速,且能够自动进行;发光二极管便于观察储能元件中是否保有能量;由储能元件、第四电阻、第一MOS管构成放电回路,保证了检修的安全性和可靠性。
进一步地,所述第四电阻的阻值计算表达式为:
其中,Rd为第四电阻的阻值,Cd为储能元件的容量,Ucd为储能元件放电后的电压,U0为储能元件的初始电压,t为要求的放电时间。
根据上述表达式计算出的阻值来进行第四电阻的选型。
优选地,所述第四电阻选用Ohmite公司AZ序列的脉冲电阻,AZ系列脉冲电阻具有高浪涌能量、非感应、小尺寸、耐高温、耐溶剂环氧图层以及UL94V0易燃性等级。
进一步地,所述第一MOS管导通时的电流为:
其中,为述第一MOS管导通时的电流,U0为储能元件的初始电压,Rd为第四电阻的阻值。
根据导通时的电流选择第一MOS管的型号。
进一步地,所述储能元件控制电路还包括充电电路,所述充电电路包括第二MOS管、第一整流二极管、第四电感、第三MOS管、第二整流二极管、第五电容以及第七电容;所述第五电容的第一端分别与外部电源的正极、第二MOS管的源极连接,第二MOS管的漏极分别与第一整流二极管的负极、第四电感的第一端连接;所述第四电感的第二端分别与第三MOS管的漏极、第二整流二极管的正极连接;所述第二整流二极管的负极与所述第七电容的第一端、储能元件的第一端连接,第七电容的第二端分别与第三MOS管的源极、第一整流二极管的正极、第五电容的第二端以及外部电源的负极连接;所述第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极由控制器控制。
采用基本电子元器件构建Buck-Boost充电电路,有外部电源接入时,第二MOS管导通,第三MOS管关断,外部电源通过该充电电路为储能元件充电,使储能元件有充足的能量能够为后续的合闸线圈提供能量。
进一步地,所述储能元件控制电路还包括设于外部电源与充电电路之间的整流滤波电路,所述整流滤波电路包括第三电容、第四电容、第六电容、第二电感以及第三电感;所述第六电感的第一端分别与第三电感的第一端、外部电源的正极连接,第三电感的第二端分别与第三电容的第一端、第五电容的第一端连接;第五电容的第二端分别与第四电容的第一端、第二电感的第一端连接;第四电容的第二端、第三电容的第二端均接地;第二电感的第二端分别与第六电感的第二端、外部电源的负极连接。
进一步地,所述整流滤波电路还包括第一电感、隧道二极管以及熔断器;所述隧道二极管与第六电容并联,所述第六电容的第一端与熔断器的第二端连接,第六电容的第二端与第一电感的第二端连接,第一电感的第一端与外部电源的负极连接,熔断器的第一端与外部电源的正极连接。
进一步地,所述储能元件控制电路还包括冗余电路,所述冗余电路包括整流滤波冗余电路和充电冗余电路;所述整流滤波冗余电路与整流滤波电路的电路结构相同,所述充电冗余电路与充电电路的电路结构相同。通过整流滤波电路和充电电路的冗余设计提高了储能元件控制电路的可靠性。
本发明还提供一种合闸线圈控制系统,包括如上所述的储能元件控制电路。
进一步地,所述合闸线圈控制系统还包括线圈控制电路,所述线圈控制电路包括第八电容、第三整流二极管、第四MOS管以及第五MOS管;所述第八电容分别与第四电阻的第二端、第三整流二极管的负极以及合闸线圈的第一端连接;所述合闸线圈的第二端与第五MOS管的漏极连接,第五MOS管的源极分别与第四MOS管的源极、第八电容的第二端以及第一MOS管的源极连接;所述第三整流二极管的正极与第四MOS管的漏极连接;所述第四MOS管、第五MOS管的栅极由控制器控制。
有益效果
与现有技术相比,本发明所提供的一种储能元件控制电路及合闸线圈控制系统,无外部电源输入时,储能元件上的电压将控制开关电路中的开关管导通,从而接通开关管与能量消耗电路之间的连接,通过能量消耗电路将储能元件上的电压消耗,直到断电监测电路提示储能元件上没有未释放的能量,避免了安全事故的发生;有外部电源输入时,外部电源使控制开关电路中的开关管关断,从而断开开关管与能量消耗电路之间的连接,储能元件上的电压不能通过能量消耗电路消耗,而是为合闸线圈提供能量,且断电监测电路提示储能元件有能量;该储能元件控制电路结构简单可靠,能够实现储能元件的快速自放电,同时是否还保有能量可以通过断电监测电路来提示,消除了安全隐患,保证了检修人员的安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例,对于本领域普通技术人员来说,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中储能元件控制电路的结构原理图;
图2是本发明实施例中合闸线圈控制系统的结构原理图;
其中,1-整流滤波电路,2-充电电路,3-线圈控制电路。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明所提供的一种储能元件控制电路,应用于电磁式真空断路器,包括断电监测电路、控制开关电路以及能量消耗电路。控制开关电路包括第一电阻R1、光电耦合器UA+UB、第一电容C1、稳压管Z1、第二电阻R2、第一MOS管Q1以及第二电容C2;光电耦合器的输入端(即光电耦合器的发光二极管UA)与第一电阻R1串联后再与外部电源DC110V(该外部电源由机车提供)连接,光电耦合器的输出端(即光电耦合器的开关元件UB)与由稳压管Z1和第一电容C1构成的并联电路并联;光电耦合器的输出端还通过第二电阻R2与第一MOS管Q1的栅极连接,第一MOS管Q1的漏极与第二电容C2的第一端连接,第二电容C2的第二端分别与第一MOS管Q1的源极、光电耦合器开关元件UB的发射极连接。
断电监测电路包括第三电阻R3和发光二极管LED2,第三电阻R3的第一端与发光二极管LED2的正极连接,第三电阻R3的第二端(即断电监控电路的第二端)与第四电阻Rd的第二端(即能量消耗电路)连接;发光二极管LED2的负极(即断电监控电路的第一端)与光电耦合器的输出端(即光电耦合器开关元件UB的集电极)连接。
能量消耗电路包括第四电阻Rd,第四电阻Rd的第一端与第一MOS管Q1的漏极连接,第四电阻Rd的第二端与第三电阻R3的第二端连接;储能元件Cd的第一端与第三电阻R3的第二端连接,储能元件Cd的第二端与第一MOS管Q1的源极连接。
无外部电源DC110V输入时,光电耦合器的二极管UA无电流通过,光电耦合器的开关元件UB关断,储能元件Cd上的能量通过稳压管Z1稳压后,再通过第二电阻R2限流使第一MOS管Q1导通,使第四电阻Rd所在支路接通,储能元件Cd上的能量(电压)通过第四电阻Rd发热来消耗(放电),同时发光二极管LED2由亮到灭,表明储能元件Cd上的能量释放过程;有外部电源DC110V输入时,光电耦合器的二极管UA有电流通过,光电耦合器的开关元件UB导通,使第一MOS管Q1关断,使第四电阻Rd所在支路断开,储能元件Cd上的能量供给后续的合闸线圈L,发光二极管LED2常亮,表示储能元件Cd上有能量。第一电阻R1和第二电阻R2为限流电阻,第一电容C1为滤波电容,保证稳压管Z1工作在稳定状态,从而使第一MOS管Q1的导通和关断响应准确;第二电容C2用于吸收第一MOS管Q1关断时的过电压,防止第一MOS管Q1过压烧毁;第四电阻Rd为能量消耗电阻,能够耐脉冲,且储能元件Cd放电过程安全可靠;采用光电耦合器+第一MOS管的结构保证了放电响应迅速,且能够自动进行,经测算和实际演示,外部电源断电36S后,储能元件即可释放能量至15V安全电压;发光二极管便于观察储能元件中是否保有能量,储能元件电压高于15V时,发光二极管亮,储能元件电压低于15V时,发光二极管灭,很直观地指示储能元件是否保有能量;由储能元件、第四电阻、第一MOS管构成放电回路,保证了检修的安全性和可靠性。
第四电阻即放电电阻,其阻值与储能元件放电后的电压Ucd、初始电压U0、放电时间t和容量Cd有关,储能元件放电后的电压为:
根据式(1)可推导出第四电阻的阻值计算表达式为:
其中,Rd为第四电阻的阻值,Cd为储能元件的容量,Ucd为储能元件放电后的电压,U0为储能元件的初始电压,t为要求的放电时间。根据式(2)计算出的阻值来进行第四电阻的选型。
人体安全电压为36V,将储能元件放电至人体安全电压以下即可,即Ucd为36V,设要求的放电时间为5分钟,储能元件的初始电压为320V,容量为30mF,根据式(2)计算出为4.58kΩ。
储能元件上的最大能量为:
第四电阻选用Ohmite公司AZ序列的脉冲电阻,AZ系列脉冲电阻具有高浪涌能量、非感应、小尺寸、耐高温、耐溶剂环氧图层以及UL94V0易燃性等级。如果第四电阻的阻值为560Ω,单个脉冲为2800J,功率为5.5W,则36S即可将储能元件的电压释放至15V。
优选地,所述第四电阻选用Ohmite公司AZ序列的脉冲电阻,AZ系列脉冲电阻具有高浪涌能量、非感应、小尺寸、耐高温、耐溶剂环氧图层以及UL94V0易燃性等级。
根据欧姆定律,第一MOS管导通时的电流为:
其中,为述第一MOS管导通时的电流,U0为储能元件的初始电压,Rd为第四电阻的阻值。根据导通时的电流选择第一MOS管的型号。
根据第一MOS管导通时的电流选用FARCHILd公司的FCD4N60型号,该型号MOSFET可承受的最大电流为3.9A,裕量大,安全可靠。
第一电容C1和稳压管Z1根据第一MOS管Q1门极电压来决定,选择额定电压为25V的第一电容,第二电容C2用于吸收第一MOS管Q1的过电压,避免第一MOS管Q1因过电压而烧毁,因此,第二电容C2的额定电压要略高于第一MOS管Q1最高可承受电压。
如图2所示,储能元件控制电路还包括整流滤波电路1和充电电路2;整流滤波电路1包括第一电感L1、隧道二极管TV1、熔断器F1、第三电容C3、第四电容C4、第六电容C6、第二电感L2以及第三电感L3;隧道二极管TV1与第六电容C6并联,第六电容C6的第一端与熔断器F1的第二端、第三电感L3的第一端连接,第六电容C6的第二端与第一电感L1的第二端、第二电感L2的第二端连接,第一电感L1的第一端与外部电源的负极连接,熔断器F1的第一端与外部电源的正极连接;第三电感L3的第二端分别与第三电容C3的第一端、第五电容C5的第一端连接;第五电容C5的第二端分别与第四电容C4的第一端、第二电感L2的第一端连接;第四电容C4的第二端、第三电容C3的第二端均接地。
充电电路2包括第二MOS管Q2、第一整流二极管D1、第四电感L4、第三MOS管Q3、第二整流二极管D2、第五电容C5以及第七电容C7;第五电容C5的第一端与第二MOS管Q2的源极连接,第二MOS管Q2的漏极分别与第一整流二极管D1的负极、第四电感L4的第一端连接;第四电感L4的第二端分别与第三MOS管Q3的漏极、第二整流二极管D2的正极连接;第二整流二极管D2的负极与第七电容C7的第一端、储能元件Cd的第一端连接,第七电容C7的第二端分别与第三MOS管Q3的源极、第一整流二极管D1的正极、第五电容C5的第二端连接;第二MOS管Q2的栅极、第三MOS管Q3的栅极由控制器控制。
采用基本电子元器件构建Buck-Boost充电电路2,有外部电源接入时,第二MOS管导通,第三MOS管关断,外部电源通过该充电电路2为储能元件充电,使储能元件有充足的能量能够为后续的合闸线圈提供能量。该充电电路能够为储能元件提供0~350V范围的电压。
如图2所示,储能元件控制电路还包括冗余电路,冗余电路包括整流滤波冗余电路和充电冗余电路;整流滤波冗余电路与整流滤波电路1的电路结构相同,充电冗余电路与充电电路2的电路结构相同,整流滤波冗余电路与充电冗余电路串联后再与由整流滤波电路1和充电电路2构成的串联电路并联。通过整流滤波电路1和充电电路2的冗余设计提高了储能元件控制电路的可靠性。
本发明还提供一种合闸线圈控制系统,包括如上所述的储能元件控制电路。
合闸线圈控制系统还包括线圈控制电路3,线圈控制电路3包括第八电容C8、第三整流二极管D3、第四MOS管Q4以及第五MOS管Q5;第八电容C8分别与第四电阻Rd的第二端、第三整流二极管D3的负极以及合闸线圈L的第一端连接;合闸线圈L的第二端与第五MOS管Q5的漏极连接,第五MOS管Q5的源极分别与第四MOS管Q4的源极、第八电容C8的第二端以及第一MOS管Q1的源极连接;第三整流二极管D3的正极与第四MOS管Q4的漏极连接;第四MOS管Q4、第五MOS管Q5的栅极由控制器控制。控制器采用单片机。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或变型,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种储能元件控制电路,应用于电磁式真空断路器,其特征在于:包括断电监测电路、控制开关电路以及能量消耗电路;所述控制开关电路的输入端与外部电源连接,控制开关电路的输出端与能量消耗电路连接;所述断电监控电路的第一端与控制开关电路连接,断电监控电路的第二端与能量消耗电路连接;所述储能元件的第一端与断电监控电路的第二端连接,储能元件的第二端与控制开关电路连接;
所述控制开关电路关断时,储能元件不通过能量消耗电路放电;所述控制开关电路导通时,储能元件通过能量消耗电路放电。
2.如权利要求1所述的储能元件控制电路,其特征在于:所述控制开关电路包括第一电阻、光电耦合器、第一电容、稳压管、第二电阻、第一MOS管以及第二电容;所述光电耦合器的输入端与第一电阻串联后再与外部电源连接,光电耦合器的输出端与由稳压管和第一电容构成的并联电路并联;所述光电耦合器的输出端还通过第二电阻与第一MOS管的栅极连接,第一MOS管的漏极与第二电容的第一端连接,第二电容的第二端分别与第一MOS管的源极、光电耦合器连接;
所述断电监测电路包括第三电阻和发光二极管,所述第三电阻的第一端与发光二极管的正极连接,第三电阻的第二端与能量消耗电路连接;发光二极管的负极与光电耦合器的输出端连接;
所述能量消耗电路包括第四电阻,所述第四电阻的第一端与第一MOS管的漏极连接,第四电阻的第二端与第三电阻的第二端连接;所述储能元件的第一端与第三电阻的第二端连接,储能元件的第二端与第一MOS管的源极连接。
5.如权利要求1-4中任一项所述的储能元件控制电路,其特征在于:还包括充电电路,所述充电电路包括第二MOS管、第一整流二极管、第四电感、第三MOS管、第二整流二极管、第五电容以及第七电容;所述第五电容的第一端分别与外部电源的正极、第二MOS管的源极连接,第二MOS管的漏极分别与第一整流二极管的负极、第四电感的第一端连接;所述第四电感的第二端分别与第三MOS管的漏极、第二整流二极管的正极连接;所述第二整流二极管的负极与所述第七电容的第一端、储能元件的第一端连接,第七电容的第二端分别与第三MOS管的源极、第一整流二极管的正极、第五电容的第二端以及外部电源的负极连接;所述第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极由控制器控制。
6.如权利要求5所述的储能元件控制电路,其特征在于:还包括设于外部电源与充电电路之间的整流滤波电路,所述整流滤波电路包括第三电容、第四电容、第六电容、第二电感以及第三电感;所述第六电感的第一端分别与第三电感的第一端、外部电源的正极连接,第三电感的第二端分别与第三电容的第一端、第五电容的第一端连接;第五电容的第二端分别与第四电容的第一端、第二电感的第一端连接;第四电容的第二端、第三电容的第二端均接地;第二电感的第二端分别与第六电感的第二端、外部电源的负极连接。
7.如权利要求6所述的储能元件控制电路,其特征在于:所述整流滤波电路还包括第一电感、隧道二极管以及熔断器;所述隧道二极管与第六电容并联,所述第六电容的第一端与熔断器的第二端连接,第六电容的第二端与第一电感的第二端连接,第一电感的第一端与外部电源的负极连接,熔断器的第一端与外部电源的正极连接。
8.如权利要求6或7所述的储能元件控制电路,其特征在于:还包括冗余电路,所述冗余电路包括整流滤波冗余电路和充电冗余电路;所述整流滤波冗余电路与整流滤波电路的电路结构相同,所述充电冗余电路与充电电路的电路结构相同。
9.一种合闸线圈控制系统,其特征在于:包括如权利要求1-8中任一项所述的储能元件控制电路。
10.如权利要求9所述的合闸线圈控制系统,其特征在于:还包括线圈控制电路,所述线圈控制电路包括第八电容、第三整流二极管、第四MOS管以及第五MOS管;所述第八电容分别与第四电阻的第二端、第三整流二极管的负极以及合闸线圈的第一端连接;所述合闸线圈的第二端与第五MOS管的漏极连接,第五MOS管的源极分别与第四MOS管的源极、第八电容的第二端以及第一MOS管的源极连接;所述第三整流二极管的正极与第四MOS管的漏极连接;所述第四MOS管、第五MOS管的栅极由控制器控制。
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CN109085784A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-25 | 中车株洲电力机车有限公司 | 一种电容控制电路及一种电磁式真空断路器控制系统 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
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习江飞: "电力机车电磁真空断路器控制系统开发", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
谢完成: "《液晶电视机电路分析与维修》", 30 September 2016 * |
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