电弧炉炼钢工艺设备(三)

4 电弧炉炼钢工艺设备

4.2.2 电弧炉的电气设备

4.2.2.1高压供电部分

国家规定对地电压大于500V即为高电压，线电压大于250KV为超高压。目前我国的高电压等级主要有1000V、6000V、10KV、35KV、110KV、220KV、500KV等，炼钢厂高压供电采用国外电压等级标准，即33KV。

高压供电系统是由若干个高压设备组成的，能够完成某种供电功能的系统。电弧炉的高压供电系统是一种特色特殊的供电系统，它的特点是低电压、高电流，电弧炉的高压供电系统实际上是为电弧炉冶炼提供一套满足冶炼要求的，可以调整和控制的可靠的电源。高压供电系统原理见图4.19。

图4.19 电弧炉高压系统系统简图

电弧炉电弧炉高压供电设备主要有以下设备组成：

1）来电显示器

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来电显示器用于直观显示电弧炉上一级变电站（220KV总降压站）33KV高压电送电、停电情况。

当总降33KV高压送电至炼钢厂后，来电显示器发出红色闪烁信号；停电后红色闪烁信

号熄灭。在进线隔离开关断开后，用于初步判断总降至炼钢厂的高压电是否已送电或停电。

2）高压隔离开关

高压隔离开关的作用是与真空断路器配合使用，保证停电工作的可靠性。在线路上某一点检修工作时，在电源侧必须要有明显的断开点，这就是高压隔离开关的主要作用。另外，隔离开关常用作电压互感器、避雷器、配电所用变压器及计量柜等低负荷设备的通、断开关使用。

隔离开关的特点是没有灭弧装置，严禁通、断大负荷运行的线路，否则将产生剧烈的电弧光，极易烧毁隔离开关，对人身安全和设备安全将会产生相当大的威胁。

3）高压接地开关

当高压电气设备停电检修时，高压接地开关作为保证人员人身安全和设备安全的重要接地装置，代替封挂临时接地线。

在高压配电装置中进行电气作业时，为了工作和检修的安全，必须执行停电、验电、装设临时接地线、悬挂标示牌和装设临时遮拦四项安全技术措施，其中装设临时接地线的操作比较繁琐。

当高压隔离开关配有一体式接地开关时，在隔离开关主闸刀未分断前，接地开关绝不允许合闸；而接地开关未打开前，主闸刀也绝不允许合闸。为此，在隔离开关主闸刀与接地开关之间必须装有机械连锁或电气连锁，以确保上述操作次序的实现。

4）真空断路器

真空断路器带有灭弧装置，它是以气体分子极少，不易游离而且绝缘强度很高的真空空间作为灭弧介质的新型开关电气。

真空断路器的结构主要分为操作机构和真空灭弧室。真空灭弧室也叫真空管，灭弧的全过程都在真空管中完成。操作机构是为真空断路器的操作提供动能，能够实现自动控制，并能实现自动脱扣的操作装置。炼钢厂高压系统中的真空断路器的操作机构采用的是电动弹簧储能式操作机构。

真空断路器的灭弧效果很好，允许频繁操作，静、动触头的行程小，动作速度快，检修维护量小。但是它也有一些缺点，如在分、合闸动作时，极易产生操作过电压，操作过电压有时会达到额定电压的几倍，严重危及了高压电气设备的绝缘水平。因此，在主回路中必须安装过电压保护装置。

5）高压电容器（R－C阻容保护）

高压电容器主要有两个作用，一个是抑制真空开关分合闸动作时产生的操作过电压；另一个作用是无功补偿，提高功率因数cosφ。

6）避雷器

避雷器的作用是防止操作过电压和大气过电压对高压电气设备绝缘的损坏。

避雷器的工作原理就象一种压敏电阻，在正常的额定电压下，它的特性呈现为高电阻状态，几乎是绝缘的，到有过电压出现时，达到一定的电压值后，避雷器的特性呈现低电阻状态，用以释放过电压状态下产生的过电流。

7）电压互感器（PT）

电压互感器是仪用互感器的一种。它是一种将高电压成比例变换为低电压，并使之在相位上保持一定关系的设备。它是一种特殊用途的变压器，其工作原理，构造特点和接线方式均与变压器基本相似，但是其容量较小，通常仅有几十伏安至几百伏安。

电压互感器的功能是将高电压成比例变换为低电压，使得其二次侧能够准确地反映一次2

侧高电压的实际情况。它较好地解决了高电压测量的困难。它可靠的将一、二次侧隔离，从而保证了工作人员的人身安全和设备安全。由于电压互感器是将不同等级的一次电压一律变换为100V的二次电压，这样就可以使得测量仪表及继电器电压线圈的制造标准化，简化了制造工艺并降低了成本，因此电压互感器在电力系统中应用广泛，几乎任何一套高压供电系统都有电压互感器。

8）电流互感器（CT）

电流互感器也是仪用互感器的一种，它是一种电流变换装置，也是一种特殊用途的变压器，它的主要功能是将高电压电流或低电压大电流变换为低电压小电流，供给测量仪表和继电器保护装置，并将测量仪表和继电器保护装置与高电压电路隔离开来。电流互感器的二次电流一般为5A，也有1A的。这使得在二次回路上的工作更为安全和方便，同时使得仪表及继电器的制造标准化，简化了制造工艺并降低了成本，在高压供电系统中应用广泛，一般都采用。

9）电炉变压器

变压器是靠电磁感应原理，把某种频率的电压变换成同频率的另一种或多种数值不等电压的功率传输装置。

电弧炉变压器是一种特殊的变压器，它是电弧炉高压供电系统中最重要的电气设备。功能是将高电压变换成适用电弧炉冶炼的各种电压及电流。其特点是低电压、高电流。

不同的钢种和不同的冶炼时期，所需要电炉变压器输出的电压和电流是不同的，因此就要求电炉变压器能够经常变换电压和电流，电炉变压器上所安装的有载调压开关设备就是满足以上功能的。

10）继电保护系统：

继电保护系统是电弧炉高压供电系统中的重要组成部分，它的主要作用是：通过预防事故的发生和发展或缩小事故的影响和范围，最大限度地确保安全供电。

继电保护系统有两个基本任务：

⑴ 当供电系统中发生故障或电炉冶炼发生重大异常时，继电保护系统应能自动地、迅速地、有选择性地作用于真空断路器并使之跳闸，以将故障设备从系统中切除，进而保证非故障设备继续运行。

⑵ 当供电系统中出现异常运行状态或电炉冶炼发生一般异常时，继电保护系统应能自动地、及时地、准确地发出信号，通知值班人员尽快作出判断处理。

另外，电炉变压器还有一些自身保护，如瓦斯保护；油流量、水流量保护；油位保护；油温、线圈温度保护；防爆保护；防泄漏保护等。

4.2.2.2 电极控制系统

电弧炉炼钢，其炉子的容量及其熔化能力已经在近几年的钢铁生产中有了很大程度地提高，在不允许超过最大负荷而获得最佳的效益这样一整套的设备则需要高性能的控制设备。新型SIMELT 电极控制系统就是为满足这些要求而设计制造的。

SIMELT调节系统原理框图见图4.20。

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图4.20 调节系统原理框图

SIMELT系统的供电电源是三相380伏电源，经低频滤波装置滤波和带有延时保护的开关，送到桥式三相整流滤波电路，产生24伏直流电源，经几级稳压电路得到15伏、10伏、5伏几个等级的电压，为SIMELT系统供电。还应说明一点，这几个等级的电压送到一个电压集中显示模块，并作为电压的监控。

二次侧用罗高夫斯基线圈取出电弧电流信号，再通过绝对值电路将 Iph 信号输出为负信号，再经 一个 TI=18mS 的滤波器，这个小时间常数的滤波器能迅速反映电弧炉在各个时刻炉子的实际阻抗值的变化情况，在滤波器的输出端，一部分用于电流检测，另一部分用于阻抗控制。电 压信号 Uph 是从电弧炉变压器二次侧取出，用绝对电路将 Uph 变成负 Uph 信号，再经 Tu=18ms 的滤波装置，然后和 Iph 信号一起输出到阻抗运算器，运算出电弧阻抗值 Zh, 再经一个 Ts=100ms 的滤波器，加到阻抗调节器与给定值 Zg相比较，产生控制偏差ΔZ →阻抗调节器放大，而后由下降和上升限幅电路进行限幅，此信号的输出端有手/自动选择装置，能实现自动/手动的操作，再经过伺服阀的功率放大器，将信号放大输出为 土 150mA 的电流信号，使之有足够能力驱动电液伺服阀的随动线圈，使电极能在液压的作用下完成上升/下降的动作，满足炼钢工艺要求。伺服阀的阀芯可调范围 0～4mm 。为了克服阀芯的动作死区，在伺服阀线圈上叠加有一交流颤动电流。

4.3 感应炉设备

4.3.1 机械设备

4.3.1.1 设备组成

1）炉体

炉体由炉壳、固定架、倾炉机构、感应线圈、磁轭等组成，另配炉衬顶出机构、炉衬厚度检测装置。

2）炉壳

炉壳采用优质厚钢板卷制焊接而成的鼠笼式圆筒结构体，窗口有可拆式盖板，框架底板采用优质厚钢板制作。炉台面盖板采用钢板制作，结构坚固，能保证在长期使用中不变形。炉壳下部设有炉衬顶出机构的固定法兰，可方便炉衬顶出机构的装卸。炉壳内配有仿形磁轭。磁轭屏蔽可以减小漏磁，防止炉体发热，提高电能转换效率，同时支撑感应圈，提高炉衬强4

度，在磁轭不取走情况下可以方便的拆装线圈和对线圈的维修、炉盖采用整块钢板整体压制成型，反面设有固定耐火料的挂钩，炉盖的升降，旋开、旋回特殊液压缸按顺序完成，工作可靠运行平稳。

3）固定架

固定架是固定炉壳的支架，采用高强度整体钢结构件，保证长时间工作不变形。炉子平台用花纹钢板制作，花纹板下侧用槽钢焊结成牢固的框架支撑，确保使用中能保持安全平整、不变形，炉子工作平台上噪音＜85dB。

4）倾炉机构（液压缸）

倾炉采用两根液压缸，液压缸进液口处直接连接限速切断阀，防止因管路破裂等原因导致炉体急剧下降而造成事故，倾炉采用手动调速换向阀控制，操作简单方便。

5）感应线圈（即感应器）

⑴ 感应线圈采用国产的厚壁挤压矩形铜管在专用模具上绕制而成，它不但保证了线圈的强度，而且具有最大的导电截面。

Cu-OFE根据ISO431-1981标准选用线圈材料，具有最小的铜损，最高的电磁转换效率。

电解铜，Cu含量99.95%E，牌号为T2-Y。

感应线圈绕制成形后采用耐高温，耐高压绝缘漆，整体浸涂后，经真空烘干，绝缘等级达到H级。

感应线圈组装前经过12kg/cm2水压耐压试验。

⑵ 感应线圈上部和下部不仅设有不锈钢水冷圈，以保证炉衬受热均匀。而且设有法拉弟短路环，以充分吸收上下端漏磁通，防止炉体发热。感应器接电采用大截面水冷电缆，采用侧引出线形式。线圈上侧配有O型钢板法兰，压紧装置采用不锈钢拉杆上下拉紧，拆装简单，更换线圈方便。又能有效防止线圈轴向走动。

6）磁轭

⑴ 磁轭采用进厚度为0.27mm的优质取向冷轧硅钢片叠制，用不锈钢钢板两面夹紧。经优化设计，精密制作，仿形弧面结构与线圈外径弧形一致。磁轭（对感应圈）覆盖面积达65%以上，磁轭固定方法：磁轭紧贴感应圈，之间采用耐高温耐高压绝缘的垫层，外面用丝杆紧顶在磁轭背面的不锈钢板上。

⑵ 磁轭不锈钢夹紧板内侧装有特殊设计的铜质水冷散热器，电炉在运行状态下，保证磁轭温度处于常温，防止磁轭温度升高而产生变形，从而加强了对感应线圈的径向支撑，提高了炉子整体强度。

7）永久炉衬

在感应器内侧均涂10～15mm耐火胶泥。

⑴ 可以方便炉顶出。

⑵ 可以防止因炉衬冷热变形，而影响炉衬寿命。

8）炉衬厚度检测装置

炉衬厚度检测装置具有炉衬厚度检测和接地检测功能，可随时监测炉体的运行情况，一旦检测到的数据异常该系统将发出报警，并按设定时限切断电源停止主系统工作，因此可减少漏炉现象。

9）水冷电缆

水冷电缆采用优质T2材质的多股铜绞线，外套高强度阻燃无碳橡胶管，接头冷压成型，接触好，抗拉能力强；两套空冷铜排用于连接变频电源输出端和水冷电缆的连接点。包括此空冷铜排安装固定用支撑件，水冷电缆连接头等。两套柔性水冷电缆用于连接铜排和感应线圈连接端。水冷电缆有玻璃纤维的外套以防熔融金属的飞溅。

10）坩埚模

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坩埚模采用钢板卷制而成。

4.3.1.2 炉衬快速顶出机构

炉衬顶出机构用于快速拆除废的炉衬，它由顶推块、顶推油缸和操作机构组成。炉衬推出机构是采用液压油缸进行推出液压动力源来自液压泵站，顶推块装在炉衬下面可以通过炉体底部的顶推孔与顶推油缸相连需要推出旧炉衬时，可将炉体倾转90°将顶推机构与炉底的固定部件连接，操作炉台上的手柄即可将旧炉衬推出，炉衬顶推液压器件采用合资厂产品。使用该机构不仅能减轻工人操作劳动强度，减少停机时间，降低拆炉衬时对感应器的损伤程度，而且也能将噪音和粉尘的有害污染降到最低限度。

4.3.1.3 水冷却系统

1）电源进出水管处装有压力表、温度表显示水压及水温，并装有压力开关和温度开关，

水压调节开关等元件监测冷却水系统，当水压或水温异常时能发出声光报警，同时切断电源。

2）炉体感应圈和水冷电缆进出水管处装有压力表、温度表显示水压及水温，并装有压力开关和温度开关，水压调节开关等元件监测冷却水系统，当水压或水温异常时能发出声光报警，同时切断电源。

3）下列元件与外部水冷却系统循环系统相连接，监视系统的运行，并且当冷却水供应异常时起到保护作用。

⑴ 一根进口分水分配器，把变频电源内的封闭水冷却系统和外部冷却水源方便地连接起来，并能把合适的冷却水流量分配给各内部器件。本分水分配器包括：

①温度开关，若冷却水进口温度超过最高允许值时，此开关会切断主电源并点亮诊断板上的指示灯。

②一个圆盘形温度表显示进口冷却水的温度。

③一个压力开关，当冷却水的进口压力低于允许值时。此开关会切断主电源并点亮诊断板上的指示灯。

④一个压力表，以显示冷却水的进口压力。

⑵ 一个侧流式去离子过滤器，用于使流过系统的水保持在小的导电率。过滤器的进出口配有截止阀，以便更换“去离子剂”。

⑶ 一根出口分水分配器使外部冷却水源与电源柜内的封闭循环系统方便地连接。本分水分配器包括：

①每个冷却水出口管线上都有一个温度开关，所以当任何一个并联支路上的水温超过允许值时，温度开关会切断主电源并点亮诊断屏上相应的指示灯。

②一个圆盘形的温度表显示本岐管中的水的温度。

③一个压力表指示岐管中的水压。

④一个压力开关，若进入本岐管的水的压力低于设定值就会切断主电源并使诊断屏上相应的指示灯点亮。

⑷一个数字式温度表，热电偶装在每根炉子回水管线上。通过一个选择开关，可以显示任一炉子回水管路的冷却水温度。

4）应急水系统

当炉体冷却水系统出现故障或供电发生故障时，能迅速切断主系统电源，应急水系统在几秒钟内立即投入运行，当故障排除后，能自动切除应急水系统。应急水系统也可与用户现有自来水供、排水接口或与用户应急水供、排水口相连。

4.3.1.4 液压装置

液压原理见图4.21。

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图4.21 液压原理图

液压装置主要由液压泵站、液压操作台二大部分组成。

1）液压泵站

液压泵站用于向倾炉油缸，炉衬顶出机构油缸提供动力。采用双机双泵一体化机组（一台工作，一台备用，自动切换）。

2）液压操作台

液压操作台安装于炉台之上，用于控制炉体在0~95º范围内倾动及炉衬顶出机构工作等。它采用手动阀操作，工作可靠、平稳，无冲击及爬行现象，速度可调并可在任意位置停留。

4.3.2 电气设备

4.3.2.1 特点

一拖一无芯感应熔炼炉，采用了一系列先进技术：

1）整流触发线路采用了数字电路，该线路特点是整流脉冲，触发角特别正确无误，由于采用了三相同步信号和数字滤波器，外电网电压、频率相序变化都能做到触发无误，如果采用单相信号分频器，相序变化很难做到触发一致性，实时性差造成变压器发热。调动脉冲移相的给定电压采用了压控振荡计数器，确保了12路脉冲移相位置一致性，同时使用脉冲移相封锁的速度，从原来的模拟电路移相速度毫秒级，一下提高到了微秒级，确保了大功率中频电源装置，电流、电压保护可靠性、安全性，因此我公司的中频电源如在运行中，槽路电路短路或过压保护，可靠性达到100%。

2）采用了数字扫描起动触发器，该线路采用了先进的锁相环鉴频、鉴相技术，可以使整个系统很好的跟踪和锁定电路的工作确保了起动可靠性，同时对频率对中频电炉发出的强大的电磁波和干扰信号有很好的抗干扰能力，确保逆变系统正常工作。

3）控制系统采用电流、电压双闭环先进技术线路，因此在整个运行过程中特别稳定可靠，对电网变化，负载的剧烈变化、冲击变化，都能可靠稳定使用。

4.3.2.2 控制系统先进

1）整流采用输入三相同步信号，数字式相控触发电路，能自动使半桥及桥间的控制角平衡。相控触发采用全数字控制方式，所有元器件均经高温老化筛选处理，关键器件采用国外知名公司产品。主要线路采用表面微封工艺，具有高可靠性、强抗干扰能力。 2）逆变控制电路采用中频电压为同步信号，以跟踪负载频率方式控制逆变器的运行频率，确保逆变器晶闸管的关断条件，使逆变器连续、稳定运行。

3）中频电源装置采用国际最先进的零电位数字扫描式自起动电路，在空载、轻载、重载情况下都能可靠起动。因此，整机功率输出操作十分简便，起动成功率达100%。

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4）中频保护系统采用先进的双保险反馈自锁电路，保护速度快，而且在设备前后设有过流、过压双向重复保护。因此，在负载短路、开路、过载等异常情况下，保护成功率达100％，并在三相进线端设有错相、缺相保护、欠压保护和过压保护，使设备更具适应性和先进性。

5）对电源及炉体冷却水输入有水压继电器控制冷却水输出有温度开关表监控欠压，超温会发出报警并切断电源。

配备输出电压表、输出功率表、工作频率表、输入电流表、输入电压表、直流电压表、直流电流表、控制板上装有缺相显示、逆变工作显示。

4.3.2.3 全面的保护功能

1）电路保护系统

⑴ 2只线路断路器，安装在柜体的正面，作为电源进线的隔离开关和可见断开点。它们配有一只手动开关和24伏欠电压线圈用于连锁保护。

⑵ 2只真空限流电抗器，延缓异常电流的上升速度，以使可控硅元件损坏之前电子保护线路能快速断开电路和消除故障。

⑶ 2套熔断器提供短路保护。

2）整流器以及保护电路

⑴ 2套大功率半导体器件把电源进线的交流电整流为直流电，在正常工作状态下，可控硅是全导通的，从而使各次谐波对电网的波形畸变影响最小。大功率可控硅起异常情况时的快速断路的作用。

⑵ 2个监视直流母排电流和电压的传感和断路控制电路，以使电压的升高有坡度，避免涌流那样的冲击。

⑶ 2套缓冲器以用于消除电子开关状况变换时产生的干扰。

⑷ 2套二极管提供了一条释放无功能量的通路，当快速切断电源时，无功能量可向滤波电容器释放。

⑸ 2个可控硅短路保护模块。在ACI故障和可控硅短路时，它可切断电源和电路。

4.3.2.4图形显示和操作控制屏幕

自起动控制采用SIEMENS的PLC程控器和人机界面组合系统，具有自动显示、控制、记忆功能。

●配有多个控制操作屏幕。满足电炉运行所需要的多个功能控制操作屏幕。

● 启动电流自动控制，功率调节旋钮处于何种位置都能实现“ 软起动”还能连续监测及显示各种主要参数与实现人工即时操作及程序操作。

●烧结和保温模式可按预设定程序完成。

●冷起动程序也能以同样方式用烧结程序来完成。

●有系统的报警显示和鸣叫（同时切断主电源，停止供电）：中频电源运行异常、过电流、过电压保护、电源、电炉冷却水水温过高或压力太低；进水和回水水压异常、交流断路器中断、接地/泄露检测器报警。

●通过WPS面板可以控制电源及其它动力的开/关和进行功率控制；

●可以通过面板上的功率控制盘，提供保温功率和升温、调质、功率实行无级分配。 ●变压器检测预留3个开关点。

4.3.2.5 柜体

所有的电源和控制元器件均装在一易于维修的钢柜中。全开式铰链门使得维修人员能够方便、容易地接近逆变器，整流器和分隔的电容器部分。控制部分安装在与眼的高度相平齐8

的不锈钢铰链门上，打开此门可容易地接近凹进去的控制线路室。此室底部装有风扇和热交换器以保持室内干净、和较低的温度，避免不清洁空气的污染。所有的柜门都采用机械连接方式以增加钢壳柜的完整性。柜门四周镶有密封条并且每扇门都配以暗锁。此外，装备了安全保护用微动开关。当任何一扇门开启时，诊断板上的显示灯亮，并切断电源以免伤人。进线端电源应采用专用电源，电源进线可以很方便地从柜子的顶部接入。为了便于移置动设了吊环装置。

4.3.2.6 接地/渗漏探测器

一套连续监测“接地/渗漏”的探测系统配有指示灯、毫安表、探针切断按钮（隔离炉子和电源）、灵敏度可调控制器和试验电路用的按钮等。本装置会在如下三种情况时做出显示，并切断主电源。

1）金属熔液渗过炉衬到炉子线圈。

2）过于潮湿。

3）炉子或电源系统存在低的对地电阻。

4.3.3 高压系统

4.3.3.1 高压一次系统

高压一次系统原理框图见图4.22。

图4.22 高压一次系统原理框图

4.3.3.2 33KV高压组合开关柜

1）用途

KYN-40.5型铠装移开式金属封闭开关设备适用于三相交流50HZ，额定电压为35kV，最高电压40.5kV的户内电力系统中作为发电厂、变电所及工矿企业配电室接收分配电能之

用。并对电路具有控制、保护和测量等功能。该设备除广泛用于一般电力系统外，还可适用

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于具有频繁操作的电力线路中。

2）结构性能特点

KYN－40.5型铠装移开式金属封闭式开关设备，是由敷铝锌钢板组装而成，柜内用接

地的金属隔板按功能分割成四个独立隔室：即开关室、隔离开关室、电缆室和保护及仪表室。

3）产品特点

⑴ 柜体采用敷铝锌钢板组装而成，具有较强的强度及整体型，柜内配有性能优良的西门子3AH4型真空断路器。

⑵ 耐电腐蚀，电场分布均匀，具有很高的机械寿命和电寿命。

⑶ 具有可靠的“防误”联锁机构。GB3906－91中规定开关柜的闭锁应优先采用机械闭锁，KYN－40.5型开关柜就是遵照此规定设计了可靠机械闭锁，而保障了设备正常运行和操作人员的人身安全。

4.3.3.3 其他

1）真空灭弧室采用陶瓷灭弧室；

2）柜内配备UPS电源一个为迟时间1小时。

3）两台35KV柜的外形尺寸分别为1400×2950×2600和1800×2950×2600；

4）微机保护装置选用清华紫光的产品，有过电流、速断、过压及欠压等保护功能； 5）柜内需安装照明及加热装置；

6）仪表门上安装电流表三块、电压表一块、有功电度表一块、无功电度表一块、电压转换开关一只；

7）柜上需安装带电显示装置；

8）真空断路器具有远程、就地操作功能，并安装远程及就地选择开关；

9）整流变压器（见图4.23）

图4.23 整流变压器

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