TWI524652B - 用於交流信號的輸入電路及將其包含的馬達啟動器 - Google Patents

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Description

用於交流信號的輸入電路及將其包含的馬達啟動器
所揭示之概念基本上係有關於輸入電路,特別是關於用於交流信號的輸入電路。所揭示之概念同時亦有關於電氣裝置,諸如馬達啟動器(motor starter)。
電容性耦合發生於當諸如用以攜載信號(例如,但不限於,用於馬達過載之信號,諸如在一跳脫(trip)發生之後重置馬達之輸入信號)之I/O(輸入/輸出)線之導體極為接近攜載電力的其他導體之時。此等導體可以全部被一起緊密耦接於同一導線盤之中或甚至同一纜線組之中。
圖1顯示一包含電容性耦合可能性之典型組態。一遠端開關S1 2可以與一馬達啟動器4相距一百至數千呎。在此實例之中,一120 VAC活線(hot line)6一直被供予電力。電容器C1 8並非實體,而是代表二細長導體10在一纜線組(圖中未顯示)之中延伸一相當長之距離的事實,實際上該等導體係實體上並列,因此其作用相當於一電容器極為緊密地耦合在一起的二個極板。導體10一起行進的距離愈長,該電容值愈大。此電容器之一極板具有120 VAC之電壓一直加諸其上。另一極板在開關S1 2斷開之時透過電阻器R1 12被拉至接地端。馬達啟動器4內部之電路(圖中未顯示)監測跨R1 12之電壓以判定是否存在一有效的輸入信號。此特別實例具有一設定於一預定數值之門檻值,諸如5 VDC。任何高於5 VDC之信號均將被視為單一有效的邏輯高位準,而任何低於5 VDC之信號則是一有效的邏輯低位準。開關S1 2斷開之時,R1 12上的電壓係電容器C1 8之電容值之量以及電阻R1 12之電阻值之量的函數。此二元件構成一高通濾波器,其輸出電壓,Vout,可表示為等式1。
Vout=2πFREQ(Vin)(C1)(R1)/((2πFREQ(C1)(R1))2+1)0.5 (等式1)
其中:Vin係AC輸入電壓(例如,但不限於,120 VAC);而FREQ係該AC輸入電壓之頻率(例如,但不限於,60 Hz)。
代入適當之數值得到表1所示之結果:
若馬達起動器輸入阻抗極高(例如,R1=100 kΩ),則在該門檻值因S1 2斷開而被超過之前,纜線僅能具有大約0.5 nF(5.00E-10 F)的C1電容值。C1 8之電容值大於0.5 nF產生一無效的邏輯高位準。當輸入阻抗被改變成100Ω,則C1 8之電容值大於0.5 μF(5.00E-07 F)產生一無效的邏輯高位準。纜線電容值可能變成1000倍大,而後可能產生錯誤讀數。較大之電容值管控將允許大上許多的纜線長度。
因此,位於一輸入線上的有效信號可能由於長距離延伸或者由於極接近輸入線的極高電壓而具有電容性耦合問題。
其已知利用一同步輸入電路,其在每一零交越處導通一負載組(load bank)大約4毫秒。該負載組在每一零交越之前被導通2毫秒並維持導通直到該零交越之後2毫秒。此需要精確地知悉零交越何時發生。跨該負載組之電壓在此時間區間之中相當地小。
其在輸入裝置具有改善之空間。
在諸如馬達啟動器之電氣裝置亦具有改善之空間。
上述及其他需求由所揭示概念之實施例加以滿足,其輸出一控制信號以將一負載相對於一交流信號非同步地切換至一對細長導體有一第一預定時間、自該對細長導體之該交流信號輸入一邏輯信號、判定該輸入邏輯信號在該第一預定時間期間是否有效複數次並據而設定該交流信號之一第一狀態,否則設定該交流信號之一相反第二狀態、以及針對該相反第二狀態,在重複輸出之前延遲一長於該第一預定時間之第二預定時間,否則針對該第一狀態,在重複輸出之前延遲一長於該第二預定時間之第三預定時間。
依據所揭示概念之一特色,用於一交流信號之一輸入電路包含:一介面,被構建成自該對細長導體之交流信號輸出一邏輯信號;一負載,可切換至該對細長導體;以及一處理器,被構建成:(i)輸出一控制信號以將該負載相對於該交流信號非同步地切換至該對細長導體有一第一預定時間,(ii)輸入該邏輯信號,(iii)判定該輸入邏輯信號在該第一預定時間期間是否有效複數次並據而設定該交流信號之一第一狀態,否則設定該交流信號之一相反第二狀態,以及(iv)針對該相反第二狀態,在重複輸出之前延遲一長於該第一預定時間之第二預定時間,否則針對該第一狀態,在重複輸出之前延遲一長於該第二預定時間之第三預定時間。
該處理器可以被構建成判定該邏輯信號在該第一預定時間期間是否連續有效複數次,並據而設定該交流信號之一第一狀態,以及延遲該第三預定時間,否則則延遲該第二預定時間。
依據所揭示概念該之另一特色,一馬達啟動器包含:一接觸器(contactor);以及一過載繼電器(overload relay),包含:一針對來自一對細長導體之一交流信號之輸入端,一介面,被構建成自該對細長導體之該交流信號輸出一邏輯信號,一負載,可切換至該對細長導體,以及一處理器,被構建成:(i)輸出一控制信號以將該負載相對於該交流信號非同步地切換至該對細長導體有一第一預定時間,(ii)輸入該邏輯信號,(iii)判定該輸入邏輯信號在該第一預定時間期間是否有效複數次並據而設定該交流信號之一第一狀態,否則設定該交流信號之一相反第二狀態,以及(iv)針對該相反第二狀態,在重複輸出之前延遲一長於該第一預定時間之第二預定時間,否則針對該第一狀態,在重複輸出之前延遲一長於該第二預定時間之第三預定時間。
在本說明書之中,"數個"一詞可以表示一個或者大於一之整數個(意即,複數個)。
在本說明書之中,"處理器"一詞表示能夠儲存、擷取、及處理資料之一可程式類比及/或數位裝置;一電腦;一工作站;一個人電腦;一微處理器;一微控制器;一微電腦;一中央處理單元;一大型電腦;一小型電腦;一伺服器;一網路處理器;或任何適當之處理裝置或設備。
參見圖2,其顯示針對來自一對細長導體24之一交流信號22之一輸入電路20。輸入電路20包含一介面26,被構建成自該交流信號22輸出一邏輯信號28、一負載30,可切換至該對細長導體24、以及一處理器,諸如例示之微電腦(μC)32。如同以下配合圖4之詳細說明,μC 32被構建以從輸出端35輸出一控制信號34以將負載30相對於交流信號22非同步地切換至該對細長導體24有一第一預定時間(例如,但不限於,大約121毫秒;任何適當時間)、自諸如輸入埠36之輸入端輸入邏輯信號28,判定輸入邏輯信號28在該第一預定時間期間是否有效複數次並據而在諸如輸出埠38之輸出端設定交流信號22之一第一狀態,否則在輸出埠38設定交流信號22之一相反第二狀態、以及針對該相反第二狀態,在重複自輸出端35輸出控制信號34之前延遲一長於該第一預定時間之第二預定時間(例如,但不限於,大約750毫秒;任何適當時間),否則針對該第一狀態,在重複自輸出端35輸出控制信號34之前延遲一長於該第二預定時間之第三預定時間(例如,但不限於,大約2秒;任何適當時間)。
實例1
如同以下配合圖4之進一步說明,範例μC 32實施選擇性電子負載以及上升信號緣零交越邏輯,以大幅降低電容性耦合問題。μC 32利用由來自輸出端35之控制信號34控制之電晶體42,選擇性地導通一電子負載組40一預定時間(例如,但不限於,大約121毫秒)。當來自輸入埠36之邏輯信號28之一預定數目(例如,但不限於,四個)連續上升信號緣發生於所例示的121毫秒之中時,μC 32在一對應的遠端開關S1 44關合時偵測對應的連續AC周期。電子負載組40之作用在某種程度上類似圖1之電阻R1 12。瞬時開關(momentary switch)S1 44以及VAC電源46之例示120 VAC電壓被施加至輸入電路20。此係藉由關合瞬時開關S1 44至少大約例示之121毫秒之時間,其可以涵蓋,舉例而言,至少四個50Hz之AC周期(每周期大約20毫秒)或60Hz之AC周期(每周期大約16.67毫秒)。舉例而言,該VAC電源46可以是一50Hz或一60Hz交流電源。
基本上,μC 32將電子負載組40導通例示之121毫秒、檢查邏輯信號28之有效連續上升信號緣之一預定數目(例如,但不限於,四個;任何適當數目)、而後關閉電子負載組40一預定時間((例如,但不限於,750毫秒)以使其得以冷卻。負載30所使用的例示電阻48、50、52、54之瓦特數相當地低,實際上其被頻繁地關閉以免超出其額定瓦特數。其亦有必要盡可能地經常檢查瞬時開關S1 44的開關關合狀態(例如,但不限於,每750毫秒檢查一次)。然而,若VAC電源46之例示120 VAC電壓上升至例如150 VAC,則其可能導致負載30過熱。將例示的750毫秒時間改變成一較長的預定時間(例如,但不限於,2000毫秒)將使得負載30可以冷卻下來。然而,舉例而言,其認為僅僅每2000毫秒(2秒)檢查一次瞬時開關之關合狀態間隔過長,因為有時候會錯過被按下之按鍵。
有趣的是,有時交流信號22信號並非真實的(例如,其是電容性耦合),而有時卻是真實的(例如,源於實際的開關關合)。當電子負載組40被導通例示的121毫秒期間,任何此種電容性耦合VAC信號均迅速地將位準拉下至一有效邏輯低位準以下,但其後並無電力跟隨,因此負載30充分地冷卻,且可以在例如750毫秒之後回複導通。若該VAC信號係真實的,且例示的120 VAC電壓出現於負載電阻48、50、52、54之上,則此等電阻被加熱。因此,其在例示的121毫秒脈波再次施加之前被關閉例示的二秒鐘時間。換言之,若VAC信號係電容性耦合(開關斷開),則μC 32,舉例而言,每750毫秒檢查一次開關關合狀態,而若VAC信號係真實的(開關關合),舉例而言,則每2秒鐘檢查一次。
實例2
所揭示之概念相對於VAC電源46之例示VAC電壓非同步或隨機地將電子負載組40納入例示的121毫秒時間,以針對極長距離之導體24檢查真實的開關關合狀態(因此,並非一電容性耦合信號)。
所揭示之概念提供具有一極短處理時間之非同步運作,且不包含偵測AC零交越的特殊零交越電路。雖然在例示的負載30之上有極高的電壓,但使用適當之工作週期,配合例示的750毫秒及2000毫秒延遲,使得負載30相對而言能夠保持冷卻。
實例3
例示的電子負載組40接受μC 32的輸入埠36的極高輸入阻抗,並將其轉變成從輸入連接器56處的例示交流信號22看見的極低輸入阻抗。介面26包含一諸如二極體58之半波整流器,以及一由二極體58供電之線性直流穩壓器64,且被構建成輸出方波60,其在出現半波整流的交流信號22之一正半波時包含一正直流電壓,而在出現半波整流的交流信號22之一負半波時大約等於零伏特。例示的120 VAC輸入電壓被二極體58進行半波整流,其自然地在線性直流穩壓器64的輸出端62處產生方波60(對應至AC零交越)。舉例而言,線性直流穩壓器64在出現半波整流的120 VAC輸入電壓的正半波時輸出15 VDC,但在出現半波整流的120 VAC輸入電壓的負半波時迅速掉落至大約零伏特。當施加之輸入AC波形強度逼近非常低的位準,每一方波60開始喪失其某些外形要素(方形)而開始近似一經過半波整流之正弦波,但仍提供有效的邏輯高位準以及低位準。
為了使交流信號22成為一有效的輸入信號,在此實例之中,四個連續的上升信號緣零交越(每一上升信號緣零交越均係方波60之一上升信號緣)發生於電子負載組40的例示的121毫秒期間。若無有效的上升信號緣零交越發生,則電子負載組關閉時間回復至,舉例而言,750毫秒,而若四個連續的上升信號緣零交越發生,則回復至,舉例而言,2000毫秒,以避免負載30的過熱。
介面26另外包含一分壓電路66,被構建以截分方波60並輸出邏輯信號28。零交越信號(方波60)被分壓電路66適當地截分而產生一適當強度之邏輯信號28直接進入μC 32之輸入埠36,其較佳之實施方式係被構建成偵測信號28之一上升信號緣。
例示的介面26另外包含一峰值保持電路68,由方波60供電並被構建成對μC 32供電。峰值保持電路68被構建成輸出一固定直流電壓,諸如例示的+15 VDC 70,無論零交越是否出現。峰值保持電路68包含一二極體72以及一電容器74,其接受來自方波60之電壓並將其傳輸至供電電路76,但不讓例示的+15 VDC 70衰減,即使方波60之電壓消失時亦然。
圖2之輸入電路20可以包含一分離之"重置板"(圖中未顯示),其包含一連接器(圖中未顯示),舉例而言,與圖3之過載繼電器108上之一對應連接器(圖中未顯示)配對。在此實例之中,上述之"重置板"並不包含圖2之處理器32,其可以提供與圖3之處理器114相同之功能。
實例4
例示的121毫秒在交流信號22的至少四個連續的交流線路周期期間對應至至少四個連續的正向零交越。
實例5
如圖2所示,細長導體24中之一導體78電性連接至靠近介面26之VAC電源46,而細長導體24中之另一導體80透過輸入連接器56電性連接至介面26。此對細長導體24延伸一段大約100呎到大約二哩之距離,且在遠端電性連接至遠端開關S1 44。例示之輸入電路20允許輸入線延伸此一極長距離而不被位於同一纜線組(圖中未顯示)中諸如78、80等鄰近導體上的電壓之電容性耦合所影響。
實例6
參見圖3,一馬達啟動系統102包含由一接觸器106和一過載繼電器108構成之一馬達啟動器104。過載繼電器108包含一電源供應110及一處理器114,電源供應110具有一電壓112,處理器114由電源電壓112供電並被構建以控制接觸器106。
過載繼電器108中之電源供應110在較佳之實施方式中被構建成從數條電力線118以寄生形式供電至一馬達120(圖中顯示為虛線描繪)。在該實例之中,過載繼電器108另外包含數個變流器(current transformer)122,被構建成感測流至馬達120之電流並供應電力至電源供應110。當過載繼電器108之電流跳脫位準因為馬達接受一極低之電流位準而被設成非常低之時,電源供應110可能耗費一極長的時間(例如,但不限於,30分鐘到一小時)以抵達處理器114被開啟並被容許執行跳脫之一預定位準。關合開關S1 44使得電源76(圖2)與電源供應110被OR(邏輯或運算,圖中未顯示)在一起,從而允許系統立即啟動並隨著開關S1 44關合之命令執行一重置動作。
例示之馬達啟動系統102另外包含一電源124(圖中顯示為虛線描繪)和一主控斷開器(main disconnect)126(圖中顯示為虛線描繪),其在馬達電流流動時供電至過載繼電器108。
例示之處理器114控制一螺線管(solenoid)128,其又控制常閉型接點130以及常開型接點132。例示之常閉型接點130控制接觸器106之一螺線管134。例示之常開型接點132控制一指示器136,其指示出接觸器106之可分離接點138之狀態。例示之處理器114亦可以經由一與圖2之輸入電路20相同或近似的輸入電路140輸入一與圖2之交流信號22相同或近似之重置信號139。在此實例之中,處理器114可以是相同或近似於圖2之μC 32。
實例7
在此特別的實例之中,例示信號139係一重置信號,其可以導致過載繼電器108之重置。在其他應用之中,其可以是任何適當之信號,例如但不限於一啟動信號或行進極長距離(例如,但不限於,數百呎至二哩)並可以從其他鄰近導體揀取信號(例如,電容性耦合)之容許/許可信號(permission/permissive signal)。
實例8
圖4係圖2之μC 32所使用之一程序150之流程圖。程序150開始於152,之後其在153將邏輯VALID INPUT SIGNAL設成等於零。接著,在154,LOADBANK ENABLE信號34被設成真。而後,在156,一計時器(例如,μC 32的一部分)被設成零,且一整數k被設成零。接著,在158,其判定μC計時器是否係處於一時段T1之中(例如,但不限於,121毫秒;任何適當之時間)。若非如此,則在160判定是否有一來自輸入端36之上升信號緣輸入。若沒有,則重複步驟158。否則,在162,整數k被加一。接著,在164,其判定整數k是否大於或等於整數L(例如,但不限於,四;任何大於一的適當整數)。若沒有,則重複步驟158。
否則,若步驟164之測試結果為真,則在168將LOADBANK ENABLE信號34設成假,整數k被重設成零,且計時器被重設成零。而後,在170,邏輯VALID INPUT SIGNAL被設成一。此數值亦可以被輸出至輸出端38。而後,在172,程序150延遲一段時間T3(例如,但不限於,2000毫秒;任何大於T1和步驟178之T2的適當時間),之後重複步驟153。
否則,若步驟158之計時器測試結果為真,則在174將LOADBANK ENABLE信號34設成假,整數k被重設成零,且計時器被重設成零。而後,在176,邏輯VALID INPUT SIGNAL被設成零。此數值亦可以被輸出至輸出端38。而後,在178,程序150延遲一段時間T2(例如,但不限於,750毫秒;任何大於T1且小於T3的適當時間),之後重複步驟153。
步驟158、160、162、164判定在第一預定時間T1期間,信號28是否至少連續L次為真,據而設定邏輯VALID INPUT SIGNAL之真值狀態,並延遲第三預定時間T3。否則,若在第一預定時間T1期間信號28均未達有效標準(例如,但不限於,僅發生三次或更少的上升信號緣),則步驟158、174、176、178延遲第二預定時間T2。
雖然所揭示概念之特定實施例已然詳細說明,但熟習相關技術者應能了解,其可以根據本揭示之整體教示,針對該等細節發展出各種修改及替代。因此,所揭示之特定配置僅係例示性質,而非有關所揭示概念之範疇之限制,該範疇之整體幅度係界定於所附申請專利範圍及其等效項目。
2...遠端開關S1
4...馬達啟動器
6...120VAC活線
8...電容器C1
10...二細長導體
12...電阻器R1
20...輸入電路
22...交流信號
24...細長導體對
26...介面
28...邏輯信號
30...負載
32...處理器
34...控制信號
35...輸出端
36...輸入埠
38...輸出埠
40...電子負載組
42...電晶體
44...遠端開關S1
46...VAC電源
48...電阻
50...電阻
52...電阻
54...電阻
56...輸入連接器
58...二極體
60...方波(對應至AC零交越)
62...輸出端
64...線性直流穩壓器
66...分壓器
68...峰值保持電路
70...+15VDC
72...二極體
74...電容器
76...供電電路
78...導體
80...導體
102...馬達啟動系統
104...馬達啟動器
106...接觸器
108...過載繼電器
110...電源供應
114...處理器
118...數條電力線
120...馬達
122...數個變流器
124...電源
126...主控斷開器
128...螺線管
130...常閉型接點
132...常開型接點
134...螺線管
136...指示器
138...可分離接點
139...重置信號
140...輸入電路
150...程序
152...步驟
153...步驟
154...步驟
156...步驟
158...步驟
160...步驟
162...步驟
164...步驟
168...步驟
170...步驟
172...步驟
174...步驟
176...步驟
178...步驟
經由配合所附圖式之較佳實施例之說明,可以獲得對於所揭示概念的全盤理解,其中:
圖1係包含電容性耦合可能性之一輸入組態之示意性功能方塊圖。
圖2係依據所揭示概念之實施例之一輸入電路之示意性功能方塊圖。
圖3係包含圖2輸入電路之一馬達啟動器之示意性功能方塊圖。
圖4係圖2處理器所用之一程序之流程圖。
20...輸入電路
22...交流信號
24...細長導體對
26...介面
28...邏輯信號
30...負載
32...處理器
34...控制信號
35...輸出端
36...輸入埠
38...輸出埠
40...電子負載組
42...電晶體
44...遠端開關S1
46...VAC電源
48...電阻
50...電阻
52...電阻
54...電阻
56...輸入連接器
58...二極體
60...方波(對應至AC零交越)
62...輸出端
64...線性直流穩壓器
66...分壓器
68...峰值保持電路
70...+15VDC
72...二極體
74...電容器
76...供電電路
78...導體
80...導體

Claims (15)

  1. 一種針對來自一對細長導體(24)之一交流信號(22)的輸入電路(20),該輸入電路包含:一介面(26),被構建以自該對細長導體之該交流信號輸出一邏輯信號(28);一負載(30),可切換至該對細長導體;以及一處理器(32),被構建(150)以:(i)輸出(35)一控制信號(34)以將該負載相對於該交流信號非同步地切換至該對細長導體有一第一預定時間,(ii)輸入(36)該邏輯信號,(iii)判定(158、160、162、164)該輸入邏輯信號在該第一預定時間期間是否有效複數次並據而設定該交流信號之一第一狀態,否則設定該交流信號之一相反第二狀態,以及(iv)針對該相反第二狀態,在重複該輸出之前延遲(178)一長於該第一預定時間之第二預定時間,否則針對該第一狀態,在重複該輸出之前延遲(172)一長於該第二預定時間之第三預定時間。
  2. 如申請專利範圍第1項之輸入電路(20),其中該第一預定時間對應至該交流信號的至少四個連續的交流線路周期期間的至少四個連續零交越。
  3. 如申請專利範圍第1項之輸入電路(20),其中該介面包含一半波整流器(58)以及由該半波整流器供電之一線性穩壓器(64),該線性穩壓器(64)被構建成輸出一信號(60),該信號(60)在出現半波整流的交流信號之一正半波時包含一正直流電壓,而在出現半波整流的交流信號之一負半波時大約等於零伏特。
  4. 如申請專利範圍第3項之輸入電路(20),其中該介面另包含一分壓電路(66),構建以截分該線性穩壓器之該信號並輸出該邏輯信號;且其中該處理器包含一輸入端(36),構建以輸入該邏輯信號。
  5. 如申請專利範圍第3項之輸入電路(20),其中該介面另包含一峰值保持電路(68),由該方波供電,並被構建以對該處理器供電。
  6. 如申請專利範圍第5項之輸入電路(20),其中該峰值保持電路被構建以輸出一直流電壓(70)。
  7. 如申請專利範圍第1項之輸入電路(20),其中該對細長導體中之一導體(78)電性連接至靠近該介面之一交流電源(46);其中該對細長導體中之另一導體(80)電性連接至該介面;且其中該對細長導體延伸一大約100呎至大約二哩之距離並在遠端電性連接至一遠端之開關(44)。
  8. 如申請專利範圍第1項之輸入電路(20),其中該處理器被構建成判定(158、160、162、164)該邏輯信號在該第一預定時間期間內是否連續有效複數次,並據而設定該交流信號之一第一狀態,以及延遲該第三預定時間,否則延遲該第二預定時間。
  9. 一種馬達啟動器(104),包含:一接觸器(106);以及一過載繼電器(108),包含:一針對來自一對細長導體(24)之一交流信號(22)之輸入端(56),以及如申請專利範圍第1項之輸入電路(20)。
  10. 如申請專利範圍第9項之馬達啟動器(104),其中該交流信號係一重置信號(22)、一許可信號(22)以及一啟動信號(22)的其中之一。
  11. 如申請專利範圍第9項之馬達啟動器(104),其中該處理器被構建成判定(158、160、162、164)該邏輯信號是否在該第一預定時間期間內連續有效複數次,並據而設定該交流信號之該第一狀態,以及延遲該第三預定時間,否則延遲該第二預定時間。
  12. 如申請專利範圍第9項之馬達啟動器(104),其中該對細長導體中之一導體(78)電性連接至靠近該介面之一交流電源(46);其中該對細長導體中之另一導體(80)電性連接至該介面;且其中該對細長導體延伸一大約100呎至大約二哩之距離並在遠端電性連接至一遠端之開關(44)。
  13. 如申請專利範圍第9項之馬達啟動器(104),其中該介面包含一半波整流器(58)以及由該半波整流器供電之一線性穩壓器(64),該線性穩壓器(64)被構建成輸出一信號(60),該信號(60)在出現半波整流的交流信號之一正半波時包含一正直流電壓,而在出現半波整流的交流信號之一負半波時大約等於零伏特。
  14. 如申請專利範圍第13項之馬達啟動器(104),其中該介面另包含一分壓電路(66),構建以截分該線性穩壓器之該信號並輸出該邏輯信號;且其中該處理器包含一輸入端(36),構建以輸入該邏輯信號。
  15. 如申請專利範圍第13項之馬達啟動器(104),其中該介面另包含一峰值保持電路(68),由該線性穩壓器之該信號供電,並被構建以對該處理器供電。
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