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《电气控制及PLC》网络辅导资源
第1章常用低压电器
本章介绍电气自动控制在现代生产、生活中的地位、发展概况和课程的性质、主要内容和要求，以及常用低压电器，如主令电器、配电电器、保护电器以及其它控制电器的结构、工作原理、图形、文字符号、应用场合。
学习目标：
掌握接触器、继电器、断路器、按钮开、开关、主令电器等常规控制电器的动作特点，并能够正确选择使用。
了解：
常用低压配电电器的结构原理、技术参数、分类和常用产品、型号说明、选用原则：
刀开关、熔断器、断路器。
理解：
常用低压控制电器（接触器）的结构原理、技术参数、分类和常用产品、型号说明、选用原则。
常用低压控制电器（继电器）的结构原理、特性、整定、与接触器差别、主要参数：
中间继电器、电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器、固态继电器、干簧继电器、其它信号继电器。
常用低压控制电器（主令电器）的结构原理、技术参数、分类和常用产品、型号说明、选用原则：
按钮、行程开关、（万能）转换开关、控制器。
掌握：
低压电器基础知识：
低压电器的定义、用途、主要分类、全型号表示法及代号含义。
1.1概述
电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用。
在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用极为广泛。
随着电子技术、自控技术和计算机应用的迅猛发展，一些电器元件可能被电子线路所取代，但是由于电器元件本身也朝着新的领域扩展（表现在提高元件的性能、生产新型的元件，实现机、电、仪一体化，扩展元件的应用范围等），且有些电器元件有其特殊性，故是不可能完全被取代的。
1.1.1电器的分类
电器是接通和断开电器或调节、控制和保护电器及电气设备用的电工器具。
电器的功能多，用途广，品种规格繁多，为了系统地掌握，必须加以分类。
1.按工作电压等级分
（1）高压电器;
（2）低压电器
2.按动作原理分
（1）手动电器;
（2）自动电器
3.按用途分
（1）控制电器;
（2）配电电器;（3）主令电器;
（4）保护电器;（5）执行电器
1.1.2电力拖动自动控制系统中常用的低压控制电器
接触器：
分交流接触器与直流接触器
继电器：
有电磁式继电器（如电压继电器、电流继电器、中间继电器）；时间继电器（分直流电磁式、空气阻尼式、半导体式等）；热继电器；干簧继电器；速度继电器等
熔断器：
分瓷插式、螺旋式、有填料封闭管式、无填料密闭管式、快速熔断器、自复式等
低压断路器：
分框架式、塑料外壳式、快速直流断路器、限流式、漏电保护器等
位置开关：
有直动式、滚动式、微动式等
按钮、刀开关等
1.1.3我国低压控制电器的发展概况
现场总线系统的发展与应用将从根本上改变传统的低压配电与控制系统及其装置，给传统低压电器带来改革性变化。
发展智能化可通信低压电器势在必行。
产品特点：
Ø产品中装有微处理器；
Ø产品带有通信接口，能与现场总线连接；
Ø采用标准化结构，具有互换性，采用模数化结构；
Ø保护功能齐全，具有外部故障记录显示、内部故障自诊断、进行双向通信等。
1.2接触器
接触器是电力拖动和自动控制系统中使用量大且面广的一种低压控制电器，用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。
主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并具有欠（零）电压保护。
1.2.1结构和工作原理
接触器是利用电磁吸力的原理工作的。
接触器主要由电磁系统、触头系统和灭弧装置组成，结构简图如图1-1所示。
图1-1接触器结构简图
1—主触头2—常闭辅助触头3—常开辅助触头4—动铁心5—电磁线圈6—静铁心7—灭弧罩8—弹簧
1.电磁系统
作用是将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触头动作。
作用在衔铁上的力有两个：
电磁吸力与反力。
电磁吸力由电磁机构产生，反力则由释放弹簧和触点弹簧所产生。
电磁系统的工作情况常用吸力特性和反力特性来表示。
为了保证使衔铁能牢牢吸合，反作用力特性必须与吸力特性配合好，如图1-3所示。
图1-3吸力特性与反力特性的配合
1—直流电磁铁吸力特性2—交流电磁铁吸力特性3—反力特性
2.触头系统
触头是接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。
触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头：
原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头（线圈断电后所有触头复原）。
图1-4触头结构形式图
a）桥形触头b）指形触头
3.灭弧装置
常用的灭弧方法有：
拉长电弧、冷却电弧和将电弧分段。
常用的灭弧装置有:
电动力灭弧、灭弧栅和磁吹灭弧。
对于电弧较弱的接触器，只采用灭弧罩即可。
交流接触器常用电动力灭弧和灭弧栅灭弧装置。
直流接触器常用磁吹灭弧装置。
图1-6所示的是一种桥式结构双断口触头，当触头打开时，在断口处产生电弧，电弧电流在两电弧间产生图中以表示的磁场，跟据左手定则，电弧电流要产生一个指向外侧的电动力作用，使电弧向外运动并拉长，迅速穿越冷却介质而加快冷却并熄灭。
图1-6电动力灭弧原理
1—静触头2—动触头
4.接触器的工作原理
当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：
常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：
常开触头断开，常闭触头闭合。
图1-9接触器的图形、文字符号
a）线圈b）主触头c）常开辅助触头d）常闭辅助触头
1.2.2交、直流接触器的特点
1.交流接触器
交流接触器线圈通以交流电，主触头接通、分断交流主电路。
通常采用短路环来解决交流电磁铁的振动问题。
短路环的示意图如图1-10所示，其中S2为短路环内截面积，S1为环外截面积。
短路环起到磁通分相的作用，把极面上的交变磁通分成两个交变磁通，并且使这两个磁通之间产生相位差，那么它们所产生的吸力间也有一个相位差，这样，两部分吸力就不会同时达到零值，当然合成后的吸力就不会有零值的时刻，如果使合成后的吸力在任一时刻都大于弹簧拉力，就消除了振动。
图1-10交流接触器铁心的短路环
a）结构图b）电磁吸力图
2.直流接触器
直流接触器线圈通以直流电流，主触头接通、切断直流主电路。
对于250A以上的直流接触器往往采用串联双绕组线圈，如图1-11所示。
图1-11直流接触器双绕组线圈接线图
1.2.3接触器的主要技术参数与选用
接触器的型号及代表意义
接触器选用原则
1.额定电压接触器的额定电压是指主触头的额定电压，应等于负载的额定电压。
2.额定电流接触器的额定电流是指主触头的额定电流，应等于或稍大于负载的额定电流。
3.电磁线圈的额定电压电磁线圈的额定电压等于控制回路的电源电压。
4.触头数目接触器的触头数目应能满足控制线路的要求。
5.额定操作频率接触器额定操作频率是指每小时接通次数。
1.3继电器
继电器主要用于控制与保护电路或作信号转换用。
当输入量变化到某一定值时，继电器动作，其触头接通或断开交、直流小容量的控制回路。
继电器的种类很多，常用的分类方法有：
按用途分：
有控制继电器和保护继电器。
按动原理作分：
有电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器和热继电器。
按输入信号的不同来分：
有电压继电器、中间继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等。
1.电磁式继电器的结构与工作原理
图1-12电磁式继电器原理图
1—铁心2—旋转棱角3—释放弹簧4—调节螺母5—衔铁6—动触头7—静触头8—非磁性垫片9—线圈
2.电磁式继电器的特性
当继电器输入量由零增至以前，继电器输出量为零。
当输入量增加到时，继电器吸合，输出量为，若再增大，值保持不变。
当减小到时，继电器释放，输出量由降到零，再减小，值均为零。
3.热继电器是利用电流流过热元件时产生的热量，使双金属片发生弯曲而推动执行机构动作的一种保护电器。
主要用于交流电动机的过载保护、断相及电流不平衡运动的保护及其他电器设备发热状态的控制。
热继电器还常和交流接触器配合组成电磁起动器，广泛用于三相异步电动机的长期过载保护。
4.空气阻尼式时间继电器
空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼作用而达到延时的目的。
它由电磁机构、延时机构和触头组成。
5.电动机式时间继电器:
它由同步电动机、减速齿轮机构、电磁离合系统及执行机构组成，电动式时间继电器延时时间长，可达数十小时，延时精度高，但结构复杂，体积较大，常用的有JS10、JS11系列和7PR系列。
6.电子式时间继电器:
早期产品多是阻容式，近期开发的产品多为数字式，又称计数式，其结构是由脉冲发生器、计数器、放大器及执行机构组成，具有延时时间长、调节方便、精度高的优点，有的还带有数字显示，应用很广，可取代阻容式、空气式、电动机式等时间继电器。
我国生产的产品有JSJ系列和JS14P系列等。
时间继电器的选用
选用时间继电器时，首先应考虑满足控制系统所提出的工艺要求和控制要求，并根据对延时方式的要求选用通电延时型或断电延时型。
对于延时要求不高和延时时间较短的，可选用价格相对较低的空气阻尼式；当要求延时精度较高、延时时间较长时，可选用晶体管式或数字式；在电源电压波动大的场合，采用空气阻尼式比用晶体管式的好，而在温度变化较大处，则不宜采用空气阻尼式时间继电器。
总之，选用时除了考虑延时范围、准确度等条件外，还要考虑控制系统对可靠性、经济性、工艺安装尺寸等要求。
7.速度继电器：
主要用于笼型异步电动机的反接制动控制，也称反接制动继电器。
速度继电器的轴与电动机的轴相连接。
转子固定在轴上，定子与轴同心。
当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，绕组切割磁场产生感应电动势和电流，此电流和永久磁铁的磁场作用产生转矩，使定子向轴的转动方向偏摆，通过定子柄拨动触头，使常闭触头断开、常开触头闭合。
当电动机转速下降到接近零时，转矩减小，定子柄在弹簧力的作用下恢复原位，触头也复原。
1.4熔断器
熔断器是一种简单而有效的保护电器。
在电路中主要起短路保护作用。
使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。
熔断器用于不同性质的负载，其熔体额定电流的选用方法也不同。
（1）熔断器类型选择
其类型应根据线路的要求、使用场合和安装条件选择。
（2）熔断器额定电压的选择
其额定电压应大于或等于线路的工作电压。
（3）熔断器额定电流的选择
其定额电流必须大于或等于所装熔体的额定电流。
（4）熔体额定电流的选择
对于电炉、照明等电阻性负载的短路保护，熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电流。
在配电系统中，远离电源端的前级熔断器应先熔断。
所以一般后一级熔体的额定电流比前一级熔体的额定电流至少大一个等级，以防止熔断器越级熔断而扩大停电范围。
保护单台电动机时，考虑到电动机受起动电流的冲击，可按下式选择：
轻载起动或起动时间短时，系数可取近1.5，带重载起动或起动时间较长时，系数可取2.5。
保护多台电动机，可按下式选择：
—容量最大的一台电动机的额定电流
—其余电动机额定电流之和
熔断器一般做成标准熔体。
更换熔片或熔丝时应切断电源，并换上相同额定电流的熔体，不得随意加大、加粗熔体或用粗铜线代替。
低压断路器：
曾称自动空气开关或自动开关。
它相当于刀开关、熔断器、热继电器、过电流继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护、动作值可调、分断能力高的电器。
低压断路器与接触器不同的是：
接触器允许频繁地接通和分断电路，但不能分断短路电流；而低压断路器不仅可分断额定电流、一般故障电流，还能分断短路电流，但单位时间内允许的操作次数较低。
1.5低压开关和低压断路器
漏电保护器是最常用的一种漏电保护电器。
当低压电网发生人身触电或设备漏电时，漏电保护器能迅速自动切断电源，从而避免造成事故。
低压隔离器也称刀开关。
低压隔离器是低压电器中结构比较简单、应用十分广泛的一类手动操作电器，品种主要有低压刀开关、熔断器式刀开关和组合开关三种。
隔离器主要是在电源切除后，将线路与电源明显地隔开，以保障检修人员的安全。
熔断器式刀开关由刀开关和熔断器组合而成，故兼有两者的功能，即电源隔离和电路保护功能，可分断一定的负载电流。
1.6主令电气
主令电器是在自动控制系统中发出指令或信号的电器，用来控制接触器、继电器或其他电器线圈，使电路接通或分断，从而达到控制生产机械的目的。
主令电器应用广泛、种类繁多。
按其作用可分为：
按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器及其他主令电器（如脚踏开关、钮子开关、紧急开关）等。
起动按钮带有常开触头，手指按下按钮帽，常开触头闭合；手指松开，常开触头复位。
起动按钮的按钮帽采用绿色。
停止按钮带有常闭触头，手指按下按钮帽，常闭触头断开；手指松开，常闭触头复位。
停止按钮的按钮帽采用红色。
复合按钮带有常开触头和常闭触头，手指按下按钮帽，先断开常闭触头再闭合常开触头；手指松开，常开触头和常闭触头先后复位。
位置开关是利用运动部件的行程位置实现控制的电器元件。
常用于自动往返的生产机械中。
按结构不同可分为直动式、滚轮式、微动式。
习题：
1.单相交流电磁机构为什么要设置短路环？
它的作用是什么？
三相交流电磁铁要否装设短路环？
答：
由于单相交流接触器铁心的磁通是交变的，故当磁通过零时，电磁吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下将被拉开，磁通过零后电磁吸力又增大，当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。
这样就使衔铁产生强烈的振动和噪声，甚至使铁心松散。
因此，交流接触器铁心端面上都安装一个铜制的短路环。
短路环将铁心端面分隔成两部分，当交变磁通穿过短路环所包围的截面积S2在短路环中产生涡流时，根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通Φ2在相位上落后于短路环外铁心截面S1中的磁通Φ1，由Φ1、Φ2产生的电磁吸力为F1、F2，作用在衔铁上的合成电磁吸力是F1+F2，只要此合力始终大于其反力，衔铁就不会产生振动和噪声。
参见答案图2所示。
答案图2
对于三相交流电而言，因为三相不可能同时为零。
就相当于整个电磁铁磁通没有过零点，磁场不会消失，衔铁就不会振动。
故无须加装短路环。
2.两个相同的交流线圈能否串联使用？
为什么？
答：
在交流控制线路中，不能串联接入两个电器线圈。
因为每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比，两个电器动作总有先后，先吸合的电器，磁路先闭合，其阻抗比没吸合的电器大，电感显著增加，线圈上的电压也相应增大，故没吸合电器的线圈的电压达不到吸合值。
同时电路电流将增加，有可能烧毁线圈。
因此，两个电器需要同时动作时，线圈应并联连接。
3.常用的灭弧方法有哪些？
答：
当开关电器的触头分离时，触头间的距离很小，触头间电压即使很低，但电场强度很大（E=U/d），在触头表面由于强电场发射和热电子发射产生的自由电子，逐渐加速运动，并在间隙中不断与介质的中性质点产生碰撞游离，使自由电子的数量不断增加，导致介质被击穿，引起弧光放电，弧隙温度剧增，产生热游离，不断有大量自由电子产生，间隙由绝缘变成导电通道，电弧持续燃烧。
为了加速电弧熄灭，常采用以下灭弧方法：
①电动力灭弧；②灭弧栅灭弧；③磁吹灭弧等。
4.什么是主令电器？
常用的主令电器有哪些？
答：
主令电器是在自动控制系统中发出指令或信号的电器，用来控制接触器、继电器或其他电器线圈，使电路接通或分断，从而达到控制生产机械的目的。
主令电器应用广泛、种类繁多。
按其作用可分为：
按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器及其他主令电器（如脚踏开关、钮子开关、急停开关）等。
5.试为一台交流380V、4kW（cosφ=0.88）、Δ连接的三相笼型异步电动机选择接触器、热继电器和熔断器。
答：
首先根据三相异步电动机的功率计算公式
式中，U为三相电源的线电压（V）；I为电动机的线电流（A）；cosφ为电动机的功率因数。
计算出电动机额定电流IN为
接触器选择：
交流接触器；额定电压380V；额定电流10A；电磁线圈额定电压110V/127V/220V/380V之中选一；参考型号为CJ20-10。
热继电器选择：
带断相保护的热继电器；热继电器的整定电流7.2A；热继电器的额定电流20A；参考型号为JR36-20。
熔断器选择：
有填料封闭管式熔断器；熔体额定电流IRN≥（1.5~2.5）IN=2.5×6.9=17.25A，选20A；熔体额定分断电流120kA；熔断器额定电流40A；熔断器额定电压380V；参考型号为RT16-40。
第2章电气控制线路的基本原则和基本环节
本章介绍电气控制线路图的基本知识,电气控制系统图中的图形符号和文字符号,电气原理图,电器元件布置图,电气接线图。
了解：
电气控制系统图的符号。
理解：
电气控制电路基本控制规律：
点动与连续运转的控制、自锁与互锁的控制、多地联锁控制、顺序控制、自动往复循环控制。
掌握：
电气控制系统常用的保护环节：
短路保护、过电流保护、过载保护、零电压和欠电压保护、弱磁保护，及典型控制电路应用知识。
2.1电气控制线路的绘制
电气控制通常称为继电—接触器控制，其优点是电路图较直观形象，装置结构简单，价格便宜，抗干扰能力强，它可以很方便地实现简单和复杂的、集中和远距离生产过程的自动控制。
电气控制线路的表示方法有：
电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图三种。
电气控制线路常用的图形、文字符号
电气控制线路图是工程技术的通用语言，为了便于交流与沟通，在电气控制线路中，各种电器元件的图形、文字符号必须符合国家的标准。
国家标准GB7159—1987《电气技术中的文字符号制订通则》规定了电气工程图中的文字符号、它分为基本文字符号和辅助文字符号。
Ø基本文字符号有单字母符号和双字母符号。
单字母符号表示电气设备、装置和元件的大类，例如K为继电器类元件这一大类；双字母符号由一个表示大类的单字母与另一个表示器件某些特性的字母组成，例如KT即表示继电器类器件中的时间继电器，KM表示继电器类器件中的接触器。
Ø辅助文字符号用来进一步表示电气设备、装置和元件的功能、状态和特征。
电气原理图：
电气原理图是根据工作原理而绘制的，具有结构简单、层次分明、便于研究和分析电路的工作原理等优点。
在各种生产机械的电气控制中，无论在设计部门或生产现场都得到广泛的应用。
电路绘制：
•电气控制线路图中的支路、接点，一般都加上标号。
•主电路标号由文字符号和数字组成。
文字符号用以标明主电路中的元件或线路的主要特征；数字标号用以区别电路不同线段。
三相交流电源引入线采用L1、L2、L3标号，电源开关之后的三相交流电源主电路分别标U、V、W。
如U11表示电动机的第一相的第一个接点代号，U21（有时可将后面的“1”省略）为第一相的第二个接点代号，依此类推。
•控制电路由三位或三位以下的数字组成，交流控制电路的标号一般以主要压降元件（如电器元件线圈）为分界，左侧用奇数标号，右侧用偶数标号。
直流控制电路中正极按奇数标号，负极按偶数标号。
绘制电气原理图应遵循以下原则：
Ø电气控制线路根据电路通过的电流大小可分为主电路和控制电路。
主电路包括从电源到电动机的电路，是强电流通过的部分，用粗线条画在原理图的左边。
控制电路是通过弱电流的电路，一般由按钮、电器元件的线圈、接触器的辅助触头、继电器的触头等组成，用细线条画在原理图的右边。
Ø电气原理图中，所有电器元件的图形、文字符号必须采用国家规定的统一标准。
Ø采用电器元件展开图的画法。
同一电器元件的各部件可以不画在一起，但需用同一文字符号标出。
若有多个同一种类的电器元件，可在文字符号后加上数字序号，如KM1、KM2等。
Ø所有按钮、触头均按没有外力作用和没有通电时的原始状态画出。
Ø控制电路的分支线路，原则上按照动作先后顺序排列，两线交叉连接时的电气连接点须用黑点标出。
电气元件布置图：
电气元件布置图主要是用来表明电气设备上所有电机、电器的实际位置，是机械电气控制设备制造、安装和维修必不可少的技术文件。
布置图根据设备的复杂程度或集中绘制在一张图上，或将控制柜与操作台的电器元件布置图分别绘制。
绘制布置图时机械设备轮廓用双点划线画出，所有可见的和需要表达清楚的电器元件及设备，用粗实线绘制出其简单的外形轮廓。
电器元件及设备代号必须与有关电路图和清单上的代号一致。
电气安装接线图：
电气安装接线图是按照电器元件的实际位置和实际接线绘制的，根据电器元件布置最合理、连接导线最经济等原则来安排。
2.2三相异步电动机的启动控制
三相笼型异步电动机的启动控制环节是应用最广、也是最基本的控制线路之一。
不同型号、不同功率和不同负载的电动机，往往有不同的启动方法，因而控制线路也不同。
三相异步电动机一般有直接启动和减压启动两种方法。
三相笼型电动机直接启动控制
•在供电变压器容量足够大时，小容量笼型电动机可直接启动。
直接启动的优点是电气设备少，线路简单。
缺点是启动电流大，引启供电系统电压波动，干扰其它用电设备的正常工作。
采用接触器直接启动控制
•点动控制
•既能点动又能长动控制：
三相笼型电动机减压启动控制
•三相笼型电动机直接启动时，电流一般可达额定电流的4～7倍，过大的启动电流会减低电动机的寿命，还会引起电源电压波动，所以对于容量较大的电动机来说必须采用减压启动的方法，以限制启动电流。
•减压启动虽然可以减小启动电流，但也降低了启动转矩，因此仅适用于空载或轻载启动。
•三相笼型电动机的减压启动方法有定子绕组串电阻（或电抗器）启动、自耦变压器减压启动、星-三角形减压启动、延边三角形启动等。
1.定子绕组串电阻减压启动控制
2.星-三角形减压启动控制
三相绕线转子电动机的启动控制：
在大、中容量电动机的重载启动时，增大启动转矩和限制启动电流两者之间的矛盾十分突出。
三相绕线式电动机的优点之一，是可以在转子绕组中串接电阻或频敏变阻器进行启动，由此达到减小启动电流，提高转子电路的功率品质因数和增加启动转矩的目的。
一般在要求启动转矩较高的场合，绕线式异步电动机的应用非常广泛。
例如桥式启重机吊钩电动机、卷扬机等。
2.3三相异步电动机的正反转控制
•在实际应用中，往往要求生产机械改变运动方向，这就要求电动机能实现正、反转。
•由三相异步电动机转动原理可知，若要电动机逆向运行，只要将接于电动机定子的三相电源线中的任意两相对调一下即可，可通过两个接触器来改变电动机定子绕组的电源相序来实现。
•接触器KM1为正向接触器，控制电动机M正转；接触器KM2为反向接触器，控制电动M反转。
2.4三相笼型电动机的变极调速控制
三相笼型电动机采用改变磁极对数调速，改变定子极数时，转子极数也同时改变，笼型转子本身没有固定的极数，它的极数随定子极数而定。
2.7电气控制线路的设计方法
采用经验设计方法。
逻辑设计方法：
逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来设计电器控制线路，同时也可以用于线路的简化。
•把电器控制线路中的接触器、继电器等电器元件线圈的通电和断电、触头的闭合和断开看成是逻辑变量，通过简单的“逻辑与”、“逻辑或”、“逻辑非”等基本运算，得出其运算结果，此结果即表明电器控制线路的结果。
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