CN88103400A - 逆变器的控制装置 - Google Patents

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Abstract

在含PWM逆变器,频率控制装置及电压控制装置的逆变器控制装置中,设有频率调整装置以便将逆变器的动作频率调整成使逆变器的输出电压的每个正半周中的电压和时间乘积等于在其相邻的负半周中的乘积。当逆变器用于控制感应电动机的装置中时频率调整装置根据对逆变器的输入电压的脉动率的检测结果调整逆变器的输出频率,及频率调整量校正装置根据感应电动机旋转检测装置的输出和电压控制装置的输出中的至少一个来校正频率调整装置的频率调整量。

Description

本发明为逆变器的控制装置,特别涉及输入变换器的直流输出电压并使变换为电压及频率都可变的交流的逆变器的控制装置。
迄今,作为这种控制技术首先公知的有日本特公昭61-48356号公报。
在该公报中,由于在用变换器将交流变换为直流、并对电压及频率都可变的脉冲宽度调制逆变器供电时,在变换器的输出电压即逆变器的输入电压中含有脉动成分(整流脉动),故(1)在逆变器的输出电压脉动,特别是逆变器的输出频率在某一特定值会发生差拍(beat)现象的问题,(2)作为其解决方法,揭示有如下的控制方式,即根据逆变器的输入电压的变动情况来调整正弦波信号和三角波的载波信号的振幅比即PWM(脉冲宽度调制)信号的宽度,以便使逆变器的输出电压不变。
且在日本特开昭57-52383号公报中揭示有为了达到同类的目的、通过使用脉冲处理技术,根据输入电压的变动来调整PWM信号的脉冲宽度的控制方式。
但是,这些控制方式存在的问题是在逆变器的输出电压成为最大、不能进行电压控制的领域内,即在逆变器的输出电压的一周内所含的脉冲数为1个脉冲,且在最大的一定电压领域中不能适用。
本发明的目的在于提供一种控制装置,该装置能抑制因逆变器的输入电压中所含有的脉动成分而引起的逆变器输出电压的差拍现象。
在本发明的某一方面,是向逆变器输出电压的相邻的半周的电压时间乘积变为相等的方向对逆变器的动作频率进行调整。
在本发明的较佳的一实施例中,对转差频率进行控制并使逆变器输出频率变化,其结果等于向逆变器输出电压的相邻的半周的电压时间乘积变为相等的方向调整其动作频率。
因此,可以减少由在逆变器输入电压中所含的脉动成分所产生的逆变器输出电压相邻的正半周和负半周的不平衡,并能抑制逆变器输出电压的差拍现象。
图1    为表示本发明的一实施例的用逆变器的感应电动机的控制装置的电路构成图;
图2    ~图11为图1的动作说明图;
图2    为通过正弦波和三角波的比较所产生的脉冲宽度调制的动作说明图;
图3    为相对于逆变器输出频率的基准指令的脉冲数和逆变器输出电压的关系图;
图4    为逆变器的输入电压和输出电压的波形关系图;
图5    为抑制逆变器输出电压的差拍现象的说明图;
图6    为感应电动机的电流及转矩的模拟波形图;
图7    为与感应电动机的电流及转矩有关的记号的定义图;
图8    为与感应电动机峰值电流有关的模拟结果图;
图9    为与感应电动机的转矩脉动有关的模拟结果图;
图10为检测逆变器输入电压的直流成分和脉冲成分的装置的具体例的图;
图11为检测逆变器输入电压的脉冲成分的装置的增益和相位特性图。
图1为表示本发明的一实施例的逆变器的控制装置的电路构成图,1为交流电源,2为将交流电源1变换为直流的变换器。3为用以使直流电压平滑的滤波电容器。4为由GTO晶闸管(栅控晶闸管)等的控制开关元件UP~WN组成并将直流变换为交流的电压、频率都可变的脉冲宽度调制逆变器,5为由逆变器4供电的感应电动机。7为由载波发生装置71、调制波发生装置72、比较装置73及脉冲数切换装置74所组成的调制装置,通过该调制装置7的输出,并经栅极信号处理电路6以预定的顺序使逆变器4的控制开关元件UP~WN作接通-断开动作。
在图1中,用检测装置8来检测感应电动机5的旋转频率fn,用加减运算装置9将转差频率指令fs在动力运行时与其相加,而在再生时则与其相减。这就成为逆变器4的输出频率的基准指令fo(=fn±fs)。转差频率指令fs是用比较装置11将用检测装置10所检测出的感应电动机5的电流值IM和其指令值IP进行比较,并根据其差值经转差频率控制手段12进行控制的。
另一方面在调制装置7上加有作为逆变器4的输出频率指令f的加减运算装置9的基准频率指令输出fo的场合,调制波发生装置72如图2A的(b)、(c)、(d)所示发生U、V、W相的正弦波,又载波发生装置71发生如图2A的(a)所示的三角波。用比较装置73将该三角波和正弦波进行比较,如图2B所示输出控制开关元件UP,VP,WP用的脉冲。又图2B反转后的脉冲就成为控制开关元件UN,VN,WN用的脉冲。
此时,如设逆变器4的输入电压E仅为没有脉动成分△Eo的直流成分Eo,则逆变器4的输出电压(U-V间)的波形为图2C所示,在正、负半周之间不会发生不平衡现象。且逆变器4的输出电压通过使图2B的宽度θc即图2A的正弦波的峰值变化来进行控制。又在逆变器4的输出频率f(=加减运算装置9的输出fo)的半周中所包含的逆变器4的输出电压的脉冲数(在图2中为3个脉冲)是通过用脉冲数切换装置74切换图2A的三角波和正弦波的频率比即三角波的频率来进行控制的。此脉冲数相对于作为逆变器4的输出频率f的基准指令的加减运算装置9的输出fo,是通过脉冲数切换装置74,例如如图3所示,切换为27-15-9-5-3-1。又逆变器4的输出电压VM相对于作为逆变器4的输出频率f的基准指令的加减运算手段9的输出fo,为使其如图3所示呈连续的曲线,是通过电压控制装置13运算出图2A的正弦波峰值/三角波峰值之比即调制率γ,以控制正弦波的峰值。又,当脉冲数从3个脉冲切换为1个脉冲时,逆变器4的输出电压VM有跳变的现象。这是由于以下的原因,就是使控制开关元件UP~WN完全切断需要一定的时间,因而不能把图2B的宽度,θc连续控制到零即逆变器4的输出电压VM成为最大且脉冲数为1。
可是,即使在逆变器2的输出侧设有直流电压平滑用的滤波电容器3,在逆变器4的输入电压E上也会产生由整流脉动所引起的脉动成分△Eo。如使滤波电容3的容量变大,此脉动成分△Eo即可变小,但不能完全除去。且存在着滤波电容器3大型化的问题。因而,如设脉冲数为1个脉冲即在图2A中调制率γ(=正弦波的峰值/三角形的峰值)≥1,且设逆变器4的输出频率指令f=加减运算装置9的输出fo,则考虑脉动成分△Eo后的逆变器4的输入电压E(=直流成分Eo+脉冲成分△Eo)和输出电压(线间)的关系如图4所示。图4A为脉动分量△Eo的频率fe(这起因于整流脉动,因此是恒定的)>加减运算装置9的输出fo的场合,图4C则为脉动成分△Eo的频率fe<加减运算装置9的输出fo的场合,在逆变器4的输出电压上在正、负半周之间两者几乎均不会产生不平衡现象。又,脉动成分△Eo的频率fe>加减运算装置9的输出fo的现象是在低速范围发生,从图3也可明白脉冲数通常较多,但从图4A也能很容易地推定和看到即使在这种场合在逆变器4的输出电压上在正、负半周之间是不会产生不平衡现象的。图4B是脉动成分△Eo的频率fe=逆变器4的输出频率f(=加减运算装置9的输出fo)的场合,在逆变器4的输出电压上在正、负半周之间产生有不平衡现象。此不平衡的大小以脉动成分△Eo的频率fe的和逆变器4的输出频率f(=加减运算装置9的输出fo)之差的频率进行变化,即逆变器4的输出电压会引起差拍现象。
因此,在调整逆变器4的输出频率f的装置14中用检测装置142检测逆变器4的输入电压E的直流成分Eo,此外,用检测装置141以预定的相位差α,检测逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo,将该检测装置141的输出△Eo′(|△Eo′|=|△Eo|)用检测装置142的输出Eo通过除法运算装置143相除,再将该除法运算装置143的输出通过乘法运算装置144和加减运算装置9的输出fo进行乘法运算,从而输出逆变器4的输出频率的调整成分△fo(=△E′fo/Eo)。
在此处,将逆变器输出频率的调整装置14的输出△fo通过加法运算装置15和加减运算装置9的输出fo进行加法运算,并作为逆变器4的输出频率指令f(fo′△fo)。又,如设逆变器4的输入电压E的脉动率为K,且该脉动分量△Eo在频率fe时,变为正弦波状,则逆变器4的输入电压E和输出频率指令f可用下式表示。
E=Eo+△Eo=Eo+KEo sin(2πfet) ...(1)
f=fo+△fo=fo+△Eo′fo/Eo
=fo+Kfo    sin(2πfet+α)    ...(2)
又,如将(2)式的逆变器4的输出频率指令f加到调制装置7上,则调制波发生装置72输出用下式表示的U,V,W相的调制波信号Gu,Gv,Gw。
Figure 88103400_IMG2
θ=2π∫fdt=2πfot+2π∫△fodt
=2πfot- (kfo)/(fe) cos(2πfet+d) ...(4)
式中,γ:调制率(调制波的峰值与载波峰值之比)
且,逆变器4的输入电压E、逆变器4的输出频率的调整成分△fo及调制波发生装置72的输出(Gu,Gv)的关系,如设例如逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo的频率fe=加减运算装置9的输出fo,脉动成分△Eo和该检测值△Eo′(|△Eo′|=|△Eo|)的相位差α=0°,则分别如图5A、图5B,图5C所示。特别是调制波发生装置72的输出因(4)式的第二项即逆变器4的输出频率的调整成分△fo而从图5C的虚线变成为实线。其结果是逆变器4的输出电压在脉冲数=1个脉冲(在图2A中调制率γ=正弦波的峰值/三角波的峰值≥1)的场合,从图5D的虚线变成为实线,正、负半周之间的不平衡大幅度地减小。
在此处,就逆变器4的输出电压的正、负半周的不平衡量通过图5以数学式进行说明。
在图5(C)中调制波发生装置72的输出在虚线的Gu′,Gv′的场合,Gu′和Gv′为0时的Tu′和Tv′为
Figure 88103400_IMG3
又如调制波发生装置72的输出成为实线的Gu,Gv,则Gu和Gv为0时的Tu和Tv为
Figure 88103400_IMG4
该(6)式的△Tu和△Tv根据式(3)~(6)得
△TU(N)= (K)/(2πfe) cos{2πfe(TU′+△TU)+d}
△TV(N)= (K)/(2πfe) cos{2πfe(TV′+△TV)+d}
(N=0,1,2,...)    ...(7)
如这样,则在没有逆变器4的输出频率的调整成分△fo时,即对应于图5C的虚线所示的调制波Gu′,Gv′的图5D的虚线所示的逆变器4的输出电压的半周的电压时间乘积ET′通过对(1)式进行定积分得
ET′(N)= ∫ T U ′ T V′ (Eo+△Eo)dt
= (Eo)/(3fo) - (KEo)/(2πfe) {cos(2πfeTU′)}
= (Eo)/(3fo) -K′sin{2π(fo-fe) (N)/(2fo) - (πfe)/(3fo) } ...(8)
式中
K′=(-1)N(KEo)/(πfe) sin( (πfe)/(3fo) ) ...(9)
N=0,2,4,……:正半周
N=1,3,5,……:负半周
通过此(8)式和(9)式,逆变器4,的输出电压的正、负半周之间的不平衡量△ET′(= (ET′(N)-ET′(N+1))/2 ),在加减运算装置9的输出fo在逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo的频率fe的附近处其大小为|K′|并以频率(fo-fe)作变化即进行差拍。此大小|K′|即使相对于(8)式的第1项Eo/3fo来说较小,但在该频率(fo-fe)小时,由于感应电动机5的阻抗变小,故感应电动机5中会流过过大的电流,而成为逆变器4的换流失败或损坏的原因,且感应电动机的转矩的脉动也较大。
对此,在设有逆变器4的输出频率的调整装置14的场合,即对应于图5C的实线的调制波Gu,Gv的图5D的实线的逆变器4的输出电压的半周的电压时间乘积ET,通过对(1)进行定积分得:
ET′(N)= ∫ T U T V (Eo+△Eo)dt= ∫ T U ′+ △ T U T V ′+ △ T V (Eo+△Eo)dt
= (Eo)/(3fo) + (KEo)/(2πfo) [cos{2πfe(TV′+α)}-cos{2πfe(TU′+α)}]
+ (KEo)/(2πfe) [cos{2πfe(TV′+△TV)+α}
-cos{2πfe(TU′+△TU)+α}] ...(10)
式中
N=0,2,4,……:正半周
N=1,3,5,……:负半周。
在此(10)式中如设逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo和输出频率的调整成分△fo的相位差α为0,则第2项和第3项抵消得Eo/3fo。即逆变器4的输出电压的正、负半周的不平衡量
( (ET(N)-ET(N+1))/2 )成为0,从而抑制了逆变器4的输出电压的差拍现象。
然而,特别是在铁路电车中,为了提高使用于逆变器的GTO晶闸管的耐压利用率,在电车的额定速度的一半左右的速度下使逆变器饱和为最大电压,在高于此速度时只对频率进行调整。因此在高于电车的额定速度的一半左右的速度下,逆变器处于其输出电压不可能调整的1个脉冲控制时期。另一方面,逆变器的输出频率遍及整个速度范围并连续地进行变化。因此,如令图1的交流电源1为单相50Hz(赫兹),则变换器2的整流脉动为100Hz,在逆变器4的输出频率通过此频率的速度范围时逆变器4已经进入1脉冲控制(图3的fo≥fo)。
在这样的场合,根据上述原理,对在变换器2的整流脉动频率和逆变器4的输出频率之间存在的差拍现象能有效地进行抑制,从而实现逆变器电车的平稳的速度控制。
接着,为了确认上述方式的有效性,就感应电动机5的容量为130KW(额定值:电压1100V,电流86.7A,频率75Hz)时设其转差频率指令fs为定值(3Hz)、设逆变器4的输入电压为(1)式(直流成分Eo=1500V,脉动率K=6%,脉动成分△Eo的频率fe=100Hz)、并通过大型电子计算机进行数字模拟的结果,说明如下。
图6A~6C表示设在逆变器4的输出频率的基准指令fo为103Hz(感应电动机5的旋转频率fn=100Hz)的场合的模拟结果。图6A为在没有逆变器4的输出频率的调整成分△fo的场合。因此,可以看出如上所述由于逆变器4的输出电压的正、负半周的不平衡,感应电动机5的电流以频率(fo-fe)=3Hz进行大差拍,且感应电动机5的转矩也以逆变器4的输入电压E的脉动分量△Eo的频率fe(=100Hz)作大脉动。图6B为如上所述在(2)式中设α=0°,并通过逆变器4的输出频率调整装置14的输出△fo对逆变器4的输出频率指令f进行调整的场合。从而可看出几乎不再有感应电动机5的电流的差拍现象,且感应电动机的转矩脉动尽管还有一些,但与图6A相比已大幅度地减小。图6C是为了使感应电动机5的转矩脉动更小,使(2)式的α作各种变化并设α=-5°的场合。从而可看出感应电动机5的电流和图6B相比几乎不变,而感应电动机5的转矩的脉动则几乎已没有。即可以看出从感应电动机5的转矩的脉动这一点上考虑,只要适当地设定(2)式中的α即可。
因此,将与感应电动机5的电流及转矩有关的记号如图7那样加以定义,即设在逆变器4的输入电压E上没有脉动成分△Eo的场合的感应电动机5的峰值电流为ipn,转矩的平均值为Tav(图7A),且设由逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo所引起的感应电动机5的峰值电流的增加成分为△ipb(=ipb-ipn),转矩的脉动成分为△Tb(图7B),则在逆变器4的输出频率的基准指令fo作各种变化的场合的△ipb(ipn)和△Tb(Tav)的模拟结果分别如图8和图9所示。
从图8及图9可以看出,感应电动机5的峰值电流的增加成分△ipb(图8)及转矩的脉动成分△Tb(图9),在没有逆变器4的输出频率的调整成分△fo的场合,如双点划线所示,在逆变器4的输出频率的基准指令fo=逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo的频率fe(=100Hz)时会成为最大。在如上所述在(2)式中设α=0°时如通过逆变器4的输出频率的调整装置14的输出△fo对逆变器4的输出频率f进行调整,则此△ipb及△Tb如单点划线(图8,图9)所示大幅度地减小,而在fo和fe(=100Hz)的差值大时可以看出与fo=fe时相比,△ipb及△Tb仍稍微大些。为了改善此种情况,设有对逆变器4的输出频率的调整装置14的输出△fo进行校正的装置16,在乘法运算装置17中将此校正装置16的输出(校正系数)Kc和逆变器4的输出频率的调整装置14的输出△fo进行乘法运算,并对逆变器4的输出频率f按(11)式进行调整,
f=fo+△fo′=fo+Kc△fo
=fo+KcKfosin(2πfet+α)    ...(11)
再在α=0°时使Kc作各种变化来进行模拟。其结果是Kc在除法运算装置161中用感应电动机5的旋转频率fn对逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo的频率fe进行除法运算,并再用乘法装置162使该除法运算装置161的输出进行平方运算即得
Kc=(Fe/fn)2...(12)
根据(12)式则感应电动机5的峰值电流的增加成分△ipb及转矩的脉动成分△Tb可以看出已被改善成如图8及图9的虚线所示。又如图6所示,为使转矩的脉动成分△Tb进一步改善,在根据(11)式,(12)式,使α相对于逆变器4的输出频率的基准指令fo如图9所示进行变化时,其△Tb如图9的实线所示几乎没有产生。此时感应电动机5的峰值电流的增加成分△ipb如图8的实线所示不怎么变化。
以上的模拟结果是在逆变器4的输出电压的脉冲数为1个脉冲(参见图5)即电压控制装置13的输出(调制率)γ为1的场合所得出的,而即使在脉冲数为多个脉冲(γ<1)时也可得到同样的效果,此时对逆变器4的输出频率的调整装置14的输出△fo进行校正的装置16的输出(校正系数)Kc如(13)式所示即
Kc=( (fe)/(fn) )2· 1/(γ) ...(13),
如成为(13)式那样,如在除法运算装置163中用调制率γ来除乘法运算装置162的输出,则可用模拟来确认Kc比(12)式时更有效。又,在感应电动机5的起动时及低速时,从(12)式及(13)式可知,因Kc变得过大,因Kc加以限制是明智的。
最后在图10中表示有逆变器4的输入电压E的直流成分Eo的检测装置142和其脉动成分△Eo的检测装置141的一具体例。即逆变器4的输入电压E的直流成分Eo的检测装置142为由运算放大器OP2和电阻Re21,Re22及Re23加上电容器C2所组成的平滑电路,令其增益(=Re23/Re21)为1,并将时间常数(=Re23×C2)设定得较大。又逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo的检出装置141为由运算放大器OP1和电阻Re11~Re15加上电容器C11,C12所组成的带通电路。此电路141的增益及相位特性如图11所示,在逆变器4的输入电压E的脉动成分△Eo的频率fe的场合,增益为1(即输入△Eo的大小=输出△Eo′的大小),且为使输入相位即脉动成分△Eo和逆变器4的输出频率的调整装置14的输出△fo的相位差α,如图9所述,相对于逆变器4的输出频率的基准指令fo成为合适的值,根据基准指令fo的大小通过开关S1~S3进行切换。
如上所述,根据图1的实施例,其效果是由于能抑制逆变器4的输出电压及感应电动机5的电流的差拍现象,而此差拍现象是起因于在逆变器4的输入电压E中所含有的脉动成分△Eo(变换器2的整流脉动),故在感应电动机5上不会流过过大的电流,并能防止逆变器4的换流失败或损坏,且对感应电动机5的转矩脉动也能抑制,能使感应电动机5的运转平稳。
又图1的实施例的说明是以逆变器4的输出电压的脉冲数为1个脉冲(参见图5)的场合为对象进行说明的,但即使在脉冲数为多个脉冲的场合不用说也无损于上述的效果。
根据本发明其存在的效果是由于能抑制起因于逆变器的输入电压中含有的脉动成分(变换器的整流脉动)的逆变器的输出电压和感应电动机的电流的差拍现象,故(1)在感应电动机上不会有过大的电流流过,(2)可防止逆变器的换流失败或损坏,(3)还能抑制转矩脉动从而能使感应电动机平稳地运转。

Claims (12)

1、一种逆变器的控制装置,其特征包括由直流电源供电的脉冲宽度调制的逆变器,对该逆变器的输出频率进行控制的频率控制装置,对上述逆变器的输出电压进行控制的电压控制装置,及向上述逆变器的输出电压的相邻的正、负半周的电压时间乘积变成为相等的方向来调整上述逆变器的动作频率的装置。
2、一种逆变器的控制装置,其特征包括由直流电源供电的脉冲宽度调制的逆变器,对该逆变器的输出频率进行控制的频率控制装置,对上述逆变器的输出电压进行控制的电压控制装置,及检测上述逆变器的输入电压或电流的装置及根据该检测装置的输出对上述逆变器的输出频率进行调整的装置。
3、如权利要求2所述的逆变器的控制装置,其特征在于上述检测装置备有检测上述逆变器的输入电压或电流的脉动率的装置。
4、如权利要求3所述的逆变器的控制装置,其特征在于上述频率调整装置备有对上述逆变器的输出频率进行调整以便持有响应上述脉动率的频率脉动率的装置。
5、如权利要求2所述的逆变器的控制装置,其特征在于上述直流电源备有将交流变换为直流的变换器,上述检测装置备有在上述变换器的整流脉动频率的附近进行同调的带通滤波器。
6、如权利要求2所述的逆变器的控制装置,其特征在于上述检测装置备有根据上述频率控制装置的输出对检测出的脉动的相位差进行调整的装置。
7、一种用逆变器进行控制的感应电动机的控制装置,其特征包括将交流变换为直流的变换器,由该变换器经滤波器电路供电的脉冲宽度调制逆变器,由该逆变器供电的感应电动机,检测该感应电动机的旋转频率的旋转频率检测装置,对上述感应电动机的转差频率发出指令的转差频率指令装置,在上述旋转频率检测装置的输出上加减上述转差频率指令装置的输出、以控制上述逆变器的输出频率的频率控制装置,对应于该频率控制装置的输出、对上述逆变器的输出电压进行控制的电压控制装置,检测上述逆变器的输入电压的脉动率的装置,根据该电压脉动率检测装置的输出对上述逆变器的输出频率进行调整的装置,和根据上述旋转频率检测装置及上述电压控制装置中至少一个装置的输出、对该频率调整装置的输出进行校正的频率调整量校正装置。
8、如权利要求7所述的感应电动机的控制装置,其特征在于上述电压脉动率检测装置备有检测上述逆变器的输入电压的脉动成分的装置,检测上述逆变器的输入电压的直流成分的装置和求出上述电压脉动成分和上述电压直流成分比的装置。
9、如权利要求7所述的感应电动机的控制装置,其特征在于上述频率调整装置为使上述电压脉动率检测装置的输出和上述频率控制装置的输出及上述频率调整量校正装置的输出进行乘法运算,并与上述频率控制装置的输出进行加法运算的装置。
10、如权利要求7所述的感应电动机的控制装置,其特征在于上述频率调整量校正装置由将上述逆变器的输入电压脉动分量的频率用上述旋转频率检测装置的输出进行除法运算装置和使该除法运算装置的输出作平方运算的乘法运算装置所组成。
11、如权利要求7所述的感应电动机的控制装置,其特征在于上述频率调整量校正装置由将上述逆变器的输入电压的脉动成分的频率除以上述旋转频率检出装置的输出的第1除法运算装置,将该第1除法运算装置的输出作平方运算的乘法运算装置和将该乘法运算装置的输出除以上述电压控制装置的输出的第2除法运算装置所组成。
12、如权利要求7所述的感应电动机的控制装置,其特征在于上述电压脉动成分检测装置由在上述逆变器的输入电压的脉动成分的频率附近进行调谐的带通电路和根据上述频率控制装置的输出对该带通电路的输入和输出之间的相位差进行调整的装置。
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