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    外搭铁电压调节器的基本电路

    电路图

    1. 点火开关SW刚接通时,,蓄电池的电压加在分压器(R1、R2)上,因为电阻分压作用,UR1较低,不能使稳压管VS反向击穿,所以VT1截止,VT2导通,发电机磁场电路接通,此时由蓄电池向磁场电路供给电流,随着发电机启动,发动机他励发电,电压上升。

    2. 当发电机电压大于蓄电池电压时,发电机自励发电并对蓄电池进行充电,若此时发电机电压小于电压调节器调节上限电压UB2,VT1截止,VT2导通,此时由发电机向磁场电路供电,发电机电压随着转速升高而升高。

    3. 当发电机电压等于电压调节器调节上限电压时,R1的分压达到了VS的导通电压,VT1导通,VT2截止,发电机励磁回路断路,导致发电机无励磁电流,所以发电机输出电压下降。降到R1的分压不足以导通VS时,VT1再次截止,VT2也导通,发电机励磁回路又通路,如此反复,发电机输出电压UB被控制在调定的电压范围内。

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    一、背景和基本原理

    虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)可以通过在变换器控制环节中模拟同步机运行机制,使新能源发电设备具备主动支撑电网的能力,由被动调节转为主动支撑。
    传统电力系统中大量采用同步发电机作为并网发电单元,同步发电机具有良好的惯性和阻尼特性,在增加调频调压装置后,能够参与电网频率和电压调节。而分布式发电需要通过电力电子变流器与外部电网连接,电力电子变流器具有动态响应速度快、过载能力低、谐波含量高等特点,若能将传统电力系统中同步发电机的模型结构引入电力电子变流器控制,模拟同步发电机运行特性,使电力电子变流器能够友好接入电网,有效避免对电网动静态稳定性产生不利影响,解决分布式发电并网或独立带载所面临的诸多问题。
    实际同步发电机中,频率和电压控制对电力系统稳定性影响极为重要。同步发电机是一个机械能量与电磁能量的转换装置,系统中有功功率变化时,其输入的机械能量与输出的电磁能量之间产生差异,引起同步机端口转速变化,进而引起电网频率的波动;系统无功功率变化时,由于同步电机转子的电气特性,端口输出电压也会出现相应变化,同步电机励磁调节器据此调整励磁电流,改变空载电动势,抵消转子电枢在无功影响下的电压波动,维持同步电机端电压近似保持恒定。如果VSG直流侧包含一定储能能量,当VSG参与一次调频时,就可通过储能装置吸收或发出虚拟转子动能,模拟类似同步发电机一样的惯性,并可参与电网一次调频控制。由于同步发电机热能-机械能-电能转换过程缓慢,而电力电子控制响应速度远快于同步发电机,固可用其实现更快的控制过程,进一步提高在电力系统中的应用范围。图1为VSG与同步发电机的对比。
    在这里插入图片描述图1 VSG与同步发电机对比图

    按照并网状态划分,VSG可以运行在并网和孤岛两种模式。并网运行时,能量可以进行双向流动,VSG可参与电网调节;孤岛运行时,VSG又能够为自身负荷供电。按照并联状态划分,VSG又分为单机模式和多机模式。单机模式时,VSG仅需要保证自身输出电压恒定;多机模式时,多台VSG之间需要进行相应功率分配。总体来看,VSG运行状态既取决于电网状态,也与其他VSG运行模式相关,同时还要考虑负荷和储能影响。

    二、作用与接入方案

    储能在虚拟同步机的应用主要体现在以下两个方面。
    (1)稳定电网
    储能可对VSG输出功率进行动态补偿,可再生能源的间歇性变化和负荷的随机性投切会造成VSG系统功率瞬态不匹配,通过储能模块及相应功率变换装置,可以快速平滑功率,提高电网电压和频率稳定性,其控制原理如图2所示。它的作用相当于传统电力系统中一次调频调压,而且储能装置还可实现电力系统低电压穿越,提高可再生能源接入时运行范围。
    域中间。
    在这里插入图片描述
    图2 储能参与电压频率稳定原理

    (2)多模式运行
    分布式电源一般在并网模式下启动,但当电网不存在或故障时,通过储能装置能够实现稳定可控的交流电压输出,并为内部负荷供电。同时,通过对分布式电源的电压和频率进行调控,能够实现在并网和离网之间随意切换。并网模式下,储能单元可实现自身能量优化管理,提高电网运行可靠性;独立运行时,通过储能装置出力能够保证负荷不断电的平稳运行,投切瞬间的能量偏差也可以通过储能装置进行吸收,基于储能的VSG多模式运行过程如图3所示。在这里插入图片描述
    图3 基于储能的多模式运行

    通常储能单元在VSG系统中有两种典型接入方案:集中式接入和分布式接入,如图4所示。
    在这里插入图片描述
    (a) 集中式接入
    在这里插入图片描述
    (b)分布式接入
    图4 储能接入方式
    集中式接入方式中,储能通常配置于VSG母线终端,在进行诸如电力调峰、短时供电、平抑功率波动、无缝投切等操作时,可将全部储能单元投入,对VSG系统整体调控作用较好。但这种方式在离网时完全依靠储能供电,需要具备较大容量的储能单元,储能本体和变换器系统设计的制造成本和难度较大。而且,当储能装置出现故障时,整个VSG系统都将失去可控功率源特性,鲁棒性较差,不利于系统扩容。
    分布式储能中,每一个可再生能源或用电负荷均包含一定储能单元,每个VSG均可实现功率流控制,能够避免某单元储能故障造成的整个系统性能变化,冗余度和可扩容性良好。但分散的储能装置以及变换器模块会大大增加VSG成本,而且为实现多个储能模块之间的能量管理,需要在各单元之间建立相应通讯连线,降低了系统可靠性。
    综合两种配置方式的特点,可根据VSG系统要求将集中接入和分布式接入结合。在直流母线侧配置较大容量的集中式储能,用于电力调峰、短时供电、并网孤岛投切缓冲等操作;在重要负荷和可再生能源附近配置一定分布式储能,用来平抑可再生能源功率波动,或为重要负荷瞬时出力,以较小容量得到更好的区域调节能力和供电可靠性。
    储能器件本身均为直流源,但绝大部分VSG端口为交流电网,因此VSG需要包含逆变单元和储能直流变换单元。根据储能直流变换类型,可大致分为以下几种结构。
    (1)无储能变换
    在这里插入图片描述
    图5 无储能变换

    图5为典型的无储能变换VSG拓扑结构,其中储能元件直接接于逆变器直流母线,充电时逆变器工作于整流状态,储能元件释放能量,放电时逆变器工作于逆变状态,储能元件吸收能量。该结构只包含一级逆变环节,结构简单易于控制,但对储能元件电压范围要求较为严格,适用于端口电压变化范围较小的蓄电池储能,同时为避免串联过多的蓄电池组,需采用体积庞大的工频变压器升压,成本较高。
    (2)储能DC/DC变换
    在这里插入图片描述
    图5 储能DC/DC变换

    图5中,储能元件经过DC/DC变换电路接于逆变器直流母线。该结构具有两类控制模式:一是前级DC/DC环节用于维持母线电压恒定,逆变环节则按照功率源形式向电网输出能量;二是逆变环节用于维持母线电压恒定,DC/DC环节则按照储能充放电要求控制储能单元能量比例。总体来看,采用两级结构有利于提高储能单元适用范围,控制方案选择灵活多变,但控制过程相对复杂。
    (3)储能AC/DC/AC变换
    在这里插入图片描述
    图6 储能AC/DC/AC变换
    图6为具备高频链的储能变换拓扑,通过DC/AC、高频变压器和AC/DC组成高频链回路实现储能元件电压变换,该结构体积小、重量轻、变换效率高。因其多级变换结构,交流侧和储能侧瞬时功率也可以解耦实现独立控制,但高频回路过载能力较差,多级结构控制也更复杂。
    根据VSG系统实际要求,既需要容量密度大的储能,也需要功率密度大的储能装置。受限于储能技术的发展,单一储能模块往往无法满足特定功率或者能量需求,目前多采用串并联、模块化扩展、多端口等手段进行扩容。

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  • 永磁无刷直流电机的分类与区别

    千次阅读 2020-05-10 10:01:10
    1.永磁无刷直流电机的介绍 ...对于发电运行的电机(对发电机而言),更关注电机输出的电压幅值与功率,故端电压与负载电流的外特性曲线,有功功率调节的功角特性曲线与无功功率调节的V形曲线都是研究重点。因此,对

    1.永磁无刷直流电机的介绍

    永磁无刷直流电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机,是由电动机和电子驱动器组成。如图1所示。
    在这里插入图片描述
    图1 无刷直流电动机的基本结构框图

    1.1电动机和发电机的研究点

    电动运行的电机来讲(对电动机而言),往往关注其出力情况(输出转矩),故机械特性曲线是研究重点,如与电机的启动,调速,制动都与之有关;对于发电运行的电机(对发电机而言),更关注电机输出的电压幅值与功率,故端电压与负载电流的外特性曲线有功功率调节的功角特性曲线无功功率调节的V形曲线都是研究重点。因此,对于永磁无刷直流电机而言,虽然如果是转子当成输出,定子当成输入,则是永磁无刷直流电动机;如果是转子当成输入。定子当成输出,则是永磁无刷直流发电机。二者本质上结构无区别但是关注的研究点不一样,所形成的理论研究与设计自然也不同。在这里主要介绍永磁无刷直流电动机的相关知识。

    1.2永磁无刷直流电机的分类

    在一般情况下,如果电动机的三相电枢绕组与单极性非桥式电子换向(相)电路相连接,或者与120°导通型半桥逆变电路(两两三相六状态导通方式)相连接;驱动电压是直流矩形波电压,希望转子永磁体磁极能在工作气隙内产生接近矩形波或梯形波的磁场,进而在电枢绕组内感生接近矩形波或梯形波的反电动势;电动机运行时,三相电枢绕组通常是一相一相轮流导通,或者是两相两相轮流导通,在工作气隙内产生“跳跃式”旋转磁场,我们把这样的永磁电动机称为无刷直流永磁电动机,简称无刷直流电动机(BLDCM)。
    在一般情况下,如果电动机的三相电枢绕组与180°导通型半桥逆变电路(三相全部导通方式)相连接;驱动电压是经由正弦脉宽调制的脉冲电压,或者是经由空间矢量脉宽调制的脉冲电压,希望转子永磁体磁极能在工作气隙内产生接近正弦波形的磁场,进而在电枢绕组内感生接近正弦波形的反电动势;电动机运行时,三相电枢绕组同时接通,在工作气隙内产生“连续式”圆形旋转磁场,我们把这样的永磁电动机称为自控式永磁同步电动机(PMSM)。
    简单点来说,就是以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电动机分为两大类:方波驱动电机和正弦波驱动电机。前者称为无刷直流电动机(BLDC),后者称为永磁同步电动机(PMSM)。

    2.BLDCM与PMSM的区别

    从二者的结构来看,BLDC和PMSM的基本结构是大致相同的:它们的电动机都是永磁电动机,转子由永磁体组成,定子安放有多相交流绕组;是由永久磁铁(PM)转子和定子的交流电流相互作用产生电机的转矩;在绕组中的驱动电流必须与转子位置反馈同步。转子位置反馈信号可以来自转子位置传感器,或者像在一些无传感器控制方式那样通过检测电机相绕组的反电动势(EMF)等方法得到。
    虽然在永磁同步电动机和无刷直流电动机的基本架构相同,但它们在实际的设计细节上的不同是由它们是如何驱动决定的。如下:
    如无刷直流电机(BLDC)通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,径向充磁,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波,逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上,无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。
    而如永磁同步电动机(PMSM)扇形瓦型磁钢,轴向充磁,具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦,外加的定子电压和电流也应为正弦波,一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式,也需要位置反馈信息,可以采用矢量控制(磁场定向控制)或直接转矩控制的先进控制策略。

    二者的驱动主要是电流驱动模式的不同所造成的,因此两者在电动机的气隙磁场波形、反电动势波形、驱动电流波形、转子位置传感器,以及驱动器中的电流环电路结构、速度反馈信息的获得和控制算法等方面都有明显的区别,它们的转矩产生原理也有很大的不同。

    2.1BLDCM与PMSM的转矩产生原理

    在这里插入图片描述
    图2 理想情况下两种电流驱动模式的磁通密度分布、相反电动势、相电流和电磁转矩波形

    2.1.1方波驱动的转矩产生原理

    假设讨论一相绕组在120°正向导通范围内产生的转矩。当电机转子恒速转动,电流指令为恒值的稳态情况下,由控制器电流环作用强迫该相电流为某一恒值。在理想情况下,无刷直流电机设计气隙磁通密度分布使每相绕组的反电动势波形为有平坦顶部的梯形波,其平顶宽度应尽可能地接近120°。在转子位置传感器作用下,使该相电流导通120°范围和同相绕组反电动势波形平坦部分120°范围在相位上是完全重合的,如图2(b)所示。这样,在120°范围内,该相电流产生的电磁功率和电磁转矩均为恒值。由于每相绕组正向导通和反向导通的对称性,以及三相绕组的对称性,总合成电磁转矩为恒值,与转角位置无关。
    在该一相绕组正向导通120°范围内,输入相电流I为恒值,它的一相绕组反电动势E为恒值,转子角速度为Ω时,一相绕组产生的电磁转矩为Tep,由下式表示:
    在这里插入图片描述
    考虑在一个电气周期内该相还反向导通120°,以及三相电磁转矩的叠加,则在一个360°内的总电磁转矩T为:
    在这里插入图片描述
    在上述理想情况下,方波驱动永磁无刷直流电动机有线性的转矩-电流特性,理论上转子在不同转角时都没有转矩波动产生。但是,在实际的永磁无刷直流电动机,由于每相反电动势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°,平顶部分也不可能做到绝对的平坦无纹波,加上齿槽效应的存在和换相过渡过程电感作用等原因,电流波形也与理想方波有较大差距,转矩波动实际上必然存在。

    2.1.2正弦波驱动的转矩产生原理

    假使按正弦波驱动模式工作的永磁同步电动机(PMSM)则完全不同。电动机气隙磁通密度分布设计和绕组设计使每相绕组的反电动势波形为正弦波。正弦波的相电流是由控制器强制产生的,这是通过转子位置传感器检测出转子相对于定子的绝对位置,由伺服驱动器的电流环实现的,并且可以按需要控制相电流与该相反电动势之间的相位关系。它的反电动势和相电流频率由转子转速决定。当相电流与该相反电动势同相时,如图2(a)所示,三相绕组A、B、C的反电势和相电流表示如下:
    在这里插入图片描述
    上式中,EI分别为一相反电动势和相电流的幅值;θ为转子转角。这里,它的每相绕组正向导通180°,然后反向导通180°。电机的电磁功率P和电磁转矩T的关系为:
    在这里插入图片描述
    上式可表明,正弦波驱动的永磁同步电动机具有线性的转矩-电流特性。上式中,瞬态电磁转矩T与转角θ无关,理论上转矩波动为零。而且在实际的永磁同步电动机中,转矩波动一般比较小。

    2.2BLDCM与PMSM的结构与性能比较

    电动机的基本结构相同,有永磁转子和与交流电动机类似的定子结构。但永磁同步电动机要求有一个正弦的反电动势波形,所以在设计上有不同的考虑。它的转子设计努力获得正弦的气隙磁通密度分布波形。而无刷直流电机需要有梯形反电动势波,所以转子通常按等气隙磁通密度设计。绕组设计方面进行同样目的的配合。BLDC控制希望有一个低电感的绕组,减低负载时引起的转速下降,所以通常采用磁片表贴式转子结构。内置式永磁(IPM)转子电动机不太适合无刷直流电动机控制,因为它的电感偏高。IPM结构常常用于永磁同步电动机,和表面安装转子结构相比,可使电动机增加约15%的转矩。

    2.2.1转矩波动

    永磁同步电动机需要的正弦波电流是可能实现的,而无刷直流电动机需要的矩形波电流是难以做到的。因为无刷直流电动机绕组存在一定的电感,它妨碍了电流的快速变化。无刷直流电动机的实际电流上升需要经历一段时间,电流从其最大值回到零也需要一定的时间。因此,在绕组换相过程中,输入到无刷直流电动机的相电流是接近梯形的而不是矩形的。每相反电动势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°。正是这种偏离导致无刷直流电机存在换相转矩波动。在永磁同步电动机中驱动器换相转矩波动几乎是没有的,它的转矩纹波主要是电流纹波造成的。
    简单点来说,就是BLDCM的转矩波动主要是换相,PMSM的转矩波动主要是电流纹波。

    2.2.2功率密度

    经过粗略的计算显示,无刷直流电动机比相同机壳尺寸的永磁同步电动机能够多提供15%的功率。即其功率密度约大15%。实际上,考虑到无刷直流电动机的铁损耗比永磁同步电动机要稍大些,输出功率的增加达不到15%。当电动机用于要求快速响应的伺服系统时,系统期望电动机有较大的转矩转动惯量比。因为无刷直流电动机的功率输出可能增加15%,如果它们具有相同的额定速度,也就有可能获得15%的电磁转矩的增加。当它们的转子转动惯量相等时,则无刷直流电动机的转矩转动惯量比可以高出15%。
    如果两种电动机都是在恒转矩模式下运行,无刷直流电动机比永磁同步电动机的每单位峰值电流产生的转矩要高。由于这个原因,当使用场合对重量或空间有严格限制时,无刷直流电动机应当是首选。

    2.2.3传感器方面

    两种电动机运行均需要转子位置反馈信息,永磁同步电动机正常运行要求正弦波电流,无刷直流电动机要求的电流是矩形波,这导致它们在转子位置传感器选择上的很大差异。无刷直流电动机中的矩形电流导通模式只需要检测电流换相点。因此,只需要每60°电角度检测转子位置一次。此外,在任何时间只有两相通电,它只需要低分辨率转子位置传感器,例如霍尔传感器,它的结构简单,成本较低。
    但是,在永磁同步电动机每相电流需要正弦波,所有三相都同时通电,连续转子位置检测是必需的。它需要采用高分辨率转子位置传感器,常见的是10bit以上的绝对型光电编码器,或解算器(旋转变压器)与R/D转换器(旋转变压器/数字转换器)的组合,成本比三个霍尔集成电路要高得多。

    2.2.4转速的调速范围

    永磁同步电动机能够比有相同参数的无刷直流电动机有更高的转速,这是由于无刷直流电动机当其反电动势等于直流母线电压时已经达到最高转速。而永磁同步电动机可实施弱磁控制,所以速度范围更宽。

    2.2.5逆变器容量要求

    如果逆变器的连续额定电流为Ip,并假设控制最大反电动势为Ep。当驱动永磁同步电动机时,最大可能输出功率是:
    在这里插入图片描述
    如果这个逆变器也用来驱动无刷直流电动机,它的输出功率将是2EpIp,两者之比为4/3=1.33。
    因此,对于给定的连续电流和电压的逆变器,理论上可以驱动更大功率的无刷直流电动机,其额定功率比永磁同步电动机可能提高33%。但由于无刷直流电动机铁损耗的增加将减少这个百分数。反过来说,当被驱动的两种电动机输出功率相同时,驱动无刷直流电动机的逆变器容量将可减小33%。
    综上所述,正弦波驱动是一种高性能的控制方式,电流是连续的,理论上可获得与转角无关的均匀输出转矩,良好设计的系统可做到3%以下的低纹波转矩。因此它有优良的低速平稳性,同时也大大改善了中高速大转矩的特性,铁心中附加损耗较小。从控制角度说,可在一定范围内调整相电流和相电动势相位,实现弱磁控制,拓宽高速范围。正弦波交流伺服电动机具有较高的控制精度。其控制精度是由电动机同安装于轴上的位置传感器及解码电路来决定的。因此,在对电动机运行平稳性要求不高、对出力要求高时,宜采用控制简单的方波驱动,若对电动机有高的稳速精度要求,宜采用控制复杂的正弦波驱动。

    3.小结

    与正弦波驱动相比较,方波驱动有如下优点:
    1)转子位置传感器结构较简单,成本低;
    2)位置信号仅需作逻辑处理,电流环结构较简单,伺服驱动器总体成本较低;
    3)伺服电动机有较高材料利用率,在相等有效材料情况下、方波工作方式的电动机输出转矩约可增加15%。方波驱动主要缺点是:
    1)转矩波动大;
    2)高速工作时,矩形电流波会发生较大的畸变,会引起转矩的下降;
    3)定子磁场非连续旋转,定子铁心附加损耗增加。
    与方波驱动相比较,正弦波有如下优点:
    1)可实现高精度的控制,转矩波动小;
    2)通过弱磁控制以扩速,增大了转速的调速范围;
    3)正弦波的电流驱动模型更加方便且容易实现,不同于方波驱动带来的不确定性;
    4)定子磁场通过正弦波的方式形成圆形连续磁场,定子铁心附加损耗较小。
    正弦波驱动的主要缺点:
    1)其控制精度是由电动机同安装于轴上的位置传感器及解码电路来决定的。因此,转子位置传感器结构复杂,成本高;
    2)逆变器的容量要求设计更大;
    3)其输出转矩较小,且材料利用率不高和电流信号处理更加复杂。
    总而言之,一般性能的速度调节系统和低分辨率的位置伺服系统可以采用无刷直流电动机,而高性能的速度伺服和像机器人位置伺服应用宜采用永磁同步电动机。


    如果用一句话来勉励自己也送大家。那么仰望星空,脚踏实地;前路有光,初心莫忘

    BLDC电机基础

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  •  过电压实验 18V实验:发电机调节器失效,引起发电机输出电压上升,高于正常电压的情况。我们在实验中模块温度比模块温度小20度,施加电压18V,持续时间为60分钟。 24V实验:模拟辅助起动的情况。我们在实验中...
  • 电压范围可由 3.5V 至 28V (45V),因此线性电压调节器以及降压或升压DC/DC转换器等简单的电源方案,无法保证一定能提供电子控制单元 (ECU) 所需的电压。升降压转换器拓朴可以突破这个困境。这种拓扑不需要使用磁耦合...
  • 用于发电机、AC/DC、DC/DC变换、不间断电源(UPS)、干电池、蓄电池、变压器、充电等输出特性进行测试。假负载功率高达600W,假负载电阻可调节在30mΩ~14.352kΩ。  基本思路  电子假负载的功率器件,一般...
  • 本文制作的电子假负载能替代传统的负载电阻...用于发电机、AC/DC、DC/DC变换、不间断电源(UPS)、干电池、蓄电池、变压器、充电等输出特性进行测试。最大假负载功率高达600W,假负载电阻可调节在30mΩ~14.352kΩ。
  • 电压范围可由 3.5V 至 28V (45V),因此线性电压调节器以及降压或升压DC/DC转换器等简单的电源方案,无法保证一定能提供电子控制单元 (ECU) 所需的电压。升降压转换器拓朴可以突破这个困境。这种拓扑不需要使用磁耦合...
  • 电池动力总成技术和内燃机(ICE)动力总成技术从根本上来说是截然不同的。因此两种技术需要一系列截然不同的流程和测试 法。当这两种技术融合到混合动力汽车(无缝集成)时...电动机/发电机的相角和层压板几何形状以及
  •  ③将倍率选择旋钮放在最大倍数上,缓慢摇动手摇交流发电机的手柄,同时转动“测量标度盘”以调节电位R,,直至指针停在红线处。当检流计接近平衡时,加快手摇交流发电机的转速至其额定转速(120r/min),调节...
  • 在过去的十年中,纳米发电机(NG)的发展使不同的系统无需外部电源即可运行。 NG具有以不同形式收集机械能的能力。 人体的运动和活动也可以作为驱动NG和实现自供电医疗系统的能源。 在这篇综述中,对NG在生物医学...

空空如也

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发电机电子调节器