电力电子技术——电力电子设备
电气工程中的电力电子设备与应用
电气工程中的电力电子设备与应用电力电子设备是电气工程领域中重要的组成部分，它们在能源转换、电力传输和变换等方面起着至关重要的作用。
本文将介绍电力电子设备的基本概念、常见类型以及其在电气工程中的应用。
一、基本概念电力电子设备是指利用电子器件来对电能进行转换、控制和调节的设备。
其核心元件通常是半导体器件，如二极管、晶闸管和功率场效应管等。
通过控制和调节这些器件的导通和截断状态，可以实现对电能的调节和转换。
二、常见类型在电力电子设备中，常见的类型包括整流器、逆变器、交流调压器、变频器等。
1. 整流器整流器是将交流电转换为直流电的装置。
通常，整流器由可控晶闸管或二极管等器件构成。
它们具有单相或三相输入和直流输出的特点，被广泛应用于电源供应、电动机驱动以及电压调节等领域。
2. 逆变器逆变器是将直流电转换为交流电的装置。
逆变器可以输出不同频率、不同电压和不同形式的交流电。
它们主要用于太阳能发电系统、风力发电系统和UPS（不间断电源）等应用中。
3. 交流调压器交流调压器可以实现电网电压的调节，使其保持在所设定的范围内，以保护电气设备的安全运行。
交流调压器通常由半导体功率器件和控制电路构成，广泛应用于电能质量改善、液晶显示器和电力电子变压器等领域。
4. 变频器变频器是通过改变电源频率来控制电机转速的装置。
它通常由整流器、逆变器和中间直流环节组成。
变频器广泛应用于交流电机驱动、电梯调速、轨道交通以及空调等领域。
三、电力电子设备在电气工程中的应用电力电子设备在电气工程中有着广泛的应用。
以下是一些常见应用场景：1. 可再生能源发电系统如太阳能发电和风力发电系统，这些系统中需要将直流电能转换为交流电能，以便对接到电网上。
逆变器在这些系统中起到关键作用。
2. 电力传输在远距离的电力传输中，通过采用高压直流输电（HVDC）技术，可以有效地减小传输损耗。
直流换流器作为核心设备，实现了交流电到直流电的转换，并确保电能稳定传输。
电力电子技术在电力变换设备中的应用
电力电子技术在电力变换设备中的应用随着电力工业的发展，电力变换设备在现代电力系统中起着至关重要的作用。
其中，电力电子技术作为一种关键技术，被广泛应用于电力变换设备中，为电力系统的可靠性、稳定性和效率提供了重要支撑。
本文将探讨电力电子技术在电力变换设备中的应用，并对其在电力系统中的影响进行分析。
一、电力电子技术简介电力电子技术是指利用电子器件对电能进行调节、变换、传输和控制的技术。
它以电力半导体器件为核心，通过控制电流和电压的变化，实现对电能的精确控制。
电力电子技术广泛应用于各个领域，如能源转换、传输和节能等。
二、电力电子技术在电力变换设备中的应用1. 变频器变频器是一种利用电力电子技术来调节电能频率和电压的装置。
它将输入的交流电能转换为高频交流电能，再通过电力变压器降低电压，最终输出到负载中。
变频器广泛应用于交流电机的调速控制系统中，能够实现电机运行的平稳、高效和可靠。
2. 逆变器逆变器是一种将直流电能转换为交流电能的装置。
它利用电力电子技术将直流电能转换为高频脉冲电能，再通过PWM控制技术将其转变为交流电能。
逆变器广泛应用于太阳能发电系统、风能发电系统等可再生能源系统中，能够将不稳定的直流电能转换为稳定的交流电能，并且实现对输出电能的控制。
3. 斩波器斩波器是一种通过将变压器的输入电压进行分段切割的装置。
它通过控制斩波开关的开关时间和周期，将输入电压切割为各个不同幅值的脉冲电压，再通过滤波电路将其转换为稳定的直流电压。
斩波器广泛应用于电力系统中的直流输电、直流调速、电解等领域，能够实现对电能的有效控制和转换。
三、电力电子技术在电力系统中的影响1. 提高电力系统的效率电力电子技术能够减少能量的损耗和浪费，提高电力系统的能源利用率。
通过电力电子技术的应用，可以实现对电能的精确测量、调节和控制，最大限度地减少能量的损耗和浪费，提高电力系统的效率。
2. 提高电力系统的稳定性电力电子技术通过精确控制电流和电压的变化，可以实现对电力系统的稳定性控制。
电力电子技术知识点总结
电力电子技术知识点总结一、电力电子器件1. 晶闸管：晶闸管是一种具有双向导电性能的电子器件，可以控制大电流、大功率的交流电路。
其结构简单，稳定性好，具有一定的可逆性，可用作直流电压调节元件、交流电压调节元件、静止开关、逆变器等。
2. 可控硅：可控硅是一种具有双向导电性的半导体器件，具有控制开关特性，可用于控制大电流、大功率的交流电路。
可控硅具有可控性强，工作稳定等特点，适用于电力调节、交流电源、逆变器等领域。
3. MOSFET：MOSFET是一种以金属氧化物半导体栅极场效应晶体管为基础的器件，和普通的MOS晶体管相比，MOSFET在导通电阻上有较低的压降、耗散功率小、寄生电容小、开关速度快等优点，适用于开关电路、逆变器、电源调节等领域。
4. IGBT：IGBT是一种继承了MOSFET和双极晶体管的特点的半导体器件，具有高阻塞电压、低导通压降、大电流、耐脉冲电流等特点，适用于高频开关电路、变频器、电源逆变器、电机调速等领域。
5. 二极管：二极管是最基本的电子元件之一，具有正向导通和反向截止的特点，广泛用于整流、短路保护、开关电源等方面。
以上所述的电力电子器件是电力电子技术的基础，掌握了这些器件的特性和应用，对于电力电子技术的学习和应用具有重要的意义。
二、电力电子拓扑结构1. 变流器拓扑结构：变流器是电力电子技术中的一种重要装置，用于将直流电转换为交流电或者改变交流电的频率、电压和相数等。
常见的变流器拓扑结构包括单相全桥变流器、三相全桥变流器、单相半桥变流器、三相半桥变流器等。
2. 逆变器拓扑结构：逆变器是电力电子技术中的一种重要装置，用于将直流电转换为交流电，逆变器可以选择不同的拓扑结构和控制策略，以满足不同的电力系统需求。
常见的逆变器拓扑结构包括单相全桥逆变器、三相全桥逆变器、单相半桥逆变器、三相半桥逆变器等。
3. 母线型柔性直流输电系统：母线型柔性直流输电系统是一种新型电力电子系统，用于将大容量的交流电转换为直流电进行长距离输电。
电力电子技术—— 电力电子设备
6.1.3 通用变频器中的逆变环节
交 交 交 交
交 交 交 交
交交交交交
交交 交交
交交交交交交交 交交交交交
PWM逆变器的工作原理在第三章中已做过比较详细地 介绍，在此不再重复。
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6.1 通用变频器——应用实例
机械式 立体车 库系统， 采用了 变频技 术。 主电 机采 用西 门子 MM440变 频器 供电。
K
f
16
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
只要保证感应电动势和定子电压的频率不变，磁通就不会 改变。电动机定子的感应电动势E是难以直接控制的，但它 与定子电压U1非常接近，在电压较高时更是如此。 在变频器中，可以通过控制定子电压与定子频率之比E/f不 变的方法来保持磁通基本恒定。即当变频器的输出频率发生 变化时，输出电压有效值也按一定的比例做出变化。这就是 为什么要调节变频器中逆变器输入电压的原因。应该指出的 是，当变频器的输出频率高于电源频率时，输出电压的有效 值是不可改变的，因为如果这样会使电动机的定子电压高于 其额定值，这是不允许的。在此时变频器的输出是频率变高， 输出电压保持额定值不变，由于输入功率不变而转速增高， 电机的转矩会变小。
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6.1 通 用 变 频 器 ： 基 本 原 理
交 交 交 交
交交交
交交交交
交交交
M 3~ 交交交
交交交交
通用变频器多为交-直-交结构，把来自电网的工频交流电 变换成负载所需的其它频率和电压的交流电，主要由整流 器、中间环节、逆变器和控制电路组成。
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
电力电子技术
电力电子技术电力电子技术（Power Electronics Technology）引言：电力电子技术是在电力工程领域中起着重要作用的一个分支。
它的发展使得电能的转换、改变、调节和控制变得更加高效和灵活。
本文将从电力电子技术的基本原理、应用领域和未来发展等方面进行探讨。
一、基本原理与组成电力电子技术利用电力器件（如二极管、晶闸管、MOSFET等）进行电能的变换、调节和控制。
基本原理就是利用开关器件将直流电能转换成交流电能或进行电能的变频、调压和调速等操作。
常见的电力电子器件有三电经流管二极管、可控硅晶闸管和场效应管MOSFET等。
这些器件通过不同的控制方式，可以实现电能的高效转换和调节。
二、应用领域1. 现代电力系统：电力电子技术在电力系统中的应用广泛，例如变频器、静态无功补偿器、静态开关和UPS等。
变频器主要用于替代传统的电动机驱动系统，能够实现电机转速和功率的控制，提高系统效率。
静态无功补偿器可以通过电力电子技术实现对电力无功和功率因数的精确控制，提高电力系统的稳定性和可靠性。
静态开关和UPS等设备也是电力电子技术的常见应用。
2. 电力传输和分配：电力电子技术在高压输电和配电系统中也有着重要的应用。
通过电力电子技术，可以实现高压交流输电系统的电能调节和控制，提高系统稳定性和有效性。
在分布式发电系统中，电力电子技术可以实现不同发电设备的协调工作，提高系统的能量利用效率。
3. 电动交通工具：电力电子技术在电动交通工具中的应用也日趋广泛。
电动车辆的电池充电器、电机驱动系统和能量回收系统都离不开电力电子技术。
通过电力电子技术，可以实现电动车辆的高效充放电和动力调节，提高车辆的运行效率和续航里程。
4. 新能源发电：电力电子技术在新能源发电领域中也起到重要的作用。
例如风力发电和太阳能发电系统中，电力电子技术可以实现对发电机输出的交流电能进行稳定、调节和控制。
同时，通过电力电子技术，可以将不同类型的新能源发电系统与传统电力系统进行协调工作，提高能量利用效率和系统稳定性。
电力电子在电力设备维护中的应用
电力电子在电力设备维护中的应用近年来，随着电力设备技术的不断发展和智能化水平的提高，电力电子技术在电力设备维护中的应用也越来越广泛。
电力电子技术作为一种重要的电力设备控制和调节方式，在电力设备维护中起着重要的作用。
本文将从电力电子技术在电力设备维护中的应用领域、优势以及未来发展趋势等方面进行论述。
一、电力电子技术在电力设备维护中的应用领域1. 电力变换与传输在电力设备维护中，电力变换与传输是电力电子技术最常见的应用领域之一。
电力设备通常需要将电能从一种形式转化为另一种形式，并通过传输线路输送到目标地点。
电力电子技术通过使用各种电力变换器和逆变器等设备，能够实现电能的高效转换和传输，提高电力传输效率，减少能源浪费和损耗。
2. 高压直流输电高压直流输电是一种目前广泛应用的电力传输方式，它具有输电损耗低、输电距离远等优势。
电力电子技术在高压直流输电中发挥着重要作用，通过使用直流变压器、整流器和逆变器等电力电子设备，实现了电力的有效传输和稳定运行。
3. 频率变换与匹配电力设备维护中经常会遇到不同频率的电力系统之间的耦合问题，而电力电子技术能够通过频率变换器和频率匹配器等设备，实现电力系统之间的频率转换与匹配，确保设备的正常运行。
二、电力电子技术在电力设备维护中的优势1. 提高设备的效率和可靠性通过应用电力电子技术，可以实现对电力设备的精确控制和调节，提高设备的效率和工作负载能力。
同时，电力电子技术还能够减少设备的故障概率，提高设备的可靠性和寿命。
2. 实现设备的智能化运行电力电子技术能够实现电力设备的智能化运行，通过使用各种传感器和智能控制算法，对设备的运行状态进行实时监测和分析，及时发现并排除潜在故障，提高设备的自动化程度和运行效率。
3. 降低电力系统的损耗和环境影响电力电子技术通过提高电力系统的能量转换效率，减少能源浪费和损耗，同时还能够降低用电设备对环境的污染和影响，实现电力设备的可持续发展。
三、电力电子技术在电力设备维护中的未来发展趋势1. 大功率电力电子技术的发展随着电力设备的不断升级和电力需求的增加，对大功率电力电子器件的需求也越来越大。
电力系统中的电力电子技术
电力系统中的电力电子技术电力电子技术是指将电子器件和电力系统相结合，用于对电力进行有效的控制和转换的技术。
它在电力系统中起着至关重要的作用，能够实现电力的高效利用、稳定输送和安全控制。
随着科技的不断进步，电力电子技术在电力系统中的应用也得到了不断的扩大和深化。
本文将从电力电子技术的基本原理、应用及未来发展等方面进行介绍。
一、电力电子技术的基本原理电力电子技术是通过对电力进行控制和转换，实现对电力的高效利用和稳定传输。
其基本原理包括功率电子器件、控制电路和模拟电路。
功率电子器件是电力电子技术的核心，包括整流器、逆变器、开关管等，能够实现对电力的高效控制和转换。
控制电路是用来控制功率电子器件的工作状态，通过控制电路可以实现对电力的精确调节和稳定控制。
模拟电路则是用来实现对电力的各项参数进行监测和调节，通过模拟电路可以实现对电力的精确测量和调节。
电力电子技术在电力系统中有着广泛的应用，主要包括能源转换、电力调节和功率控制等方面。
在能源转换方面，电力电子技术可以实现对不同形式电力的转换，包括将太阳能、风能等可再生能源转换为电力，同时也可以将电力转换为热能、光能等其他形式的能源。
通过电力电子技术的应用，能够实现能源的高效利用和增加可再生能源的比重。
在电力调节方面，电力电子技术可以实现对电力的精确调节和稳定控制，包括对电压、频率等参数进行调节，同时还可以实现对电力负载的动态调节，保证电力系统的稳定运行。
随着科技的不断进步，电力电子技术在电力系统中的应用也得到了不断的拓展和深化。
未来，电力电子技术的发展趋势主要包括高效、智能和绿色化等方面。
高效化是电力电子技术的发展趋势之一，未来将主要致力于提高功率电子器件和控制电路的效率，实现对电力的更高效转换和利用，从而提高电力系统的整体运行效率。
电力电子技术在电力系统中具有重要的作用，未来将持续发展并得到更广泛的应用。
我们期待着电力电子技术在电力系统中发挥更大的作用，为电力系统的稳定运行和可持续发展贡献更大的力量。
电力电子技术的主要内容1
电力电子技术的主要内容将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制称为电力电子技术。
电力电子技术主要包括电力电子器件、变流电路和控制技术三个部分，其中电力电子技术是基础，变流电路是电力电子技术的核心。
主要研究电力电子器件的应用、电力电子电路的电能变换原理以及控制技术及电力电子装置的开发与应用。
1、电力电子器件1.1电力电子器件是指可直接用于主电路中实现电能变换或控制的电子器件，它是电子器件的一大分支，能承受高电压和大电流，是弱电控制强电的纽带。
1.2电力电子器件的分类1.2.1按可控性分类根据控制信号对器件控制程度可将电力电子器件分为三类：（1）不可控器件，不能用控制信号来控制其导通、关断的电力电子器件，如电力二极管。
（2）半控型器件，能用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件，主要有晶闸管及其大部分派生器件（GTO除外）。
（3）全控型器件，能用控制信号控制其导通，又能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件，又称为自关断器件。
如绝缘栅双极晶体管（IGBT）和电力场效应晶体管（P-MOSFET）等。
1.2.2按驱动信号类型分类（1）电流驱动型，通过控制极注入或抽出电流来实现导通或关断控制的。
如门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）。
（2）电压驱动型，通过在控制端和公共端之间加一定的电压信号就能实现导通或关断控制的，如电力场效应晶体管（P-MOSFET）、集成门集换流晶闸管（IGCT）。
1.2.3按器件内部载流子参与导电情况分类（1）单极型器件，由一种载流子参与导电的器件，如电力场效应晶体管（P-MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）。
（2）双极型器件，由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如电力晶体管（GTR）、静电感应晶闸管（SITH）、MOS控制晶闸管（MCT）。
1.3常用电力电子器件1.3.1电力二极管具有一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件。
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
电路结构及工作模式
+ Id
交
交
交
Ud
交
_
交 1交
交 2交
Id 第1组 逆变
0 第2组 整流
第1组 整流
Ud
第2组 逆变
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6.1.2 通用变频器中的中间环节
滤波元件决定电源形式
无论是哪种形式的整流电路，其输出电压和电流如果不加 处理都有一定的波动，必须对其进行滤波才能提供给逆变器 使用。对整流输出的滤波是中间环节的一个重要任务。滤波 元件可以是电容，也可以是电感，在整流电路的输出端并联 电容进行滤波使逆变器的输入相当于接一个电压源，这种变 频器因此叫做电压源型变频器。如果在整流电路的输出端串 联电感滤波，逆变器输入端相当于接电流源，变频器也因之 叫做电流源型。
不可控整流器的输出端如果接电容滤波，输入电流不是 正弦波，有较大的畸变，所以功率因数不为1。
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
不可控整流电路加斩波器
交 流 电 网
在一些小容量的PAM变频器中，整流电路可以在不可控整 流器的输出端接一个直流斩波器，起到调节整流电压的作 用，斩波器的形式多为降压型。如图
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
可控整流电路
可控整流电路由晶闸管组成，一般为三相桥式全控 电路，输出电压可以调节。如果改变控制角，可以使晶 闸管电路工作在整流和逆变两种状态。逆变状态可以把 中间电路中储存的能量回馈给电网。用一组晶闸管组成 的整流电路可以作到输出电压Ud改变方向，但输出电流 Id不能改变方向，在Ud-Id平面上工作在第1、2象限。还 有一种叫做可逆式的整流电路，主电路由两组三相桥式 可控电路组成，两组整流桥都可以工作在整流和逆变两 种状态，输出电压和输出电流均可正可负，可在Ud-Id平 面上的4个象限工作。这种结构的整流电路用于电流型 变频器，能量可以在电网和负载之间双向传递。
第6章 电力电子设备
1 6.1 通用变频器 2 6.2 软启动器 3 6.3 晶闸管交流调功器 4 6.4 不间断电源UPS 5 6.5 开关电源
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1
6.1 通用变频器
通用变频器
6.1.1 通用变 频器中的整 流环节
<>
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6.1.2 通 用变频 器中的 中间环 节
6.1.3 通用 变频器中的 逆变环节
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10
6.1.2 通用变频器中的中间环节
限制电容充电电流的措施
交
LAC
交
交
交
交a交
交交 交交 交交
交
LDC 交交 交交 交交 交
交b交
S R 交 交 交
交c 交
电压源型滤波器电容的容量都很大，一般为多个电解 电容串并联组成，所以在设备刚接通电源时会产生很大的 瞬间充电电流，为限制这个电流，可采用多种措施，如图
三相交流异步电动机的输入功率为
P1 3U1I1 cos1
式中 P1——电机输入功率（W）； U1——定子相电压（V）； I1——定子相电流（A）； φ1 ——定子电路功率因数角。
式中f——定子电压频率（Hz）； p——极对数； s——转差率。
地改变，从而达到调速 的目的。采用变频调速 的异步电动机的机械特 性如图
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4
6.1
通
用交 变交 频交 器交
： 基 本 原 理
交交交 交交交交 交交交 交交交交
M 3~
交交交
通用变频器多为交-直-交结构，把来自电网的工频交流电 变换成负载所需的其它频率和电压的交流电，主要由整流 器、中间环节、逆变器和控制电路组成。
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6.1.2 通用变频器中的中间环节
电流源型整流电路
交
Id
交 交
交 交 交
M 3~
交
电流型滤波电路用电感进行滤波，其结构如图。电感的作用 使整流电路的输出电流保持恒定，相当于一个恒流源。电流型 变频器的主要优点是可以使被驱动的异步电机工作在电动状态， 也可以使电机工作在回馈制动状态，正因为如此，整流电路采 用晶闸管可控整流。
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6.1.2 通用变频器中的中间环节
动力制动制动电阻
由于制动电阻的功率 和体积都较大，通常通 过接线端子接在变频器 的外部。
RG
VT
交
交
交
动力制动就是为电容上的过量的能量的释放寻找一个途径。 具体方法是，在中间环节中接入一条支路，由一个全控型开 关器件和一个能耗电阻组成。平时电子开关处于关断状态， 制动支路不起作用，进入制动状态，当电容电压上升到某规 定值时，电子开关VT导通，电容的能量经VT释放在制动电阻 上。
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
不可控整流电路
整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种。不 可控整流电路由功率二极管组成，对于三相变频器一般采用 三相桥式结构。整流输出的直流电压与电源电压成正比，如 果电源相电压有效值为U，则输出直流电压（或输出电压平 均值）为2.34 U，随电源电压变化，不能随意调节。不可控 整流电路简单，另一优点是输入电流和电源电压基本可保持 同相位。
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
电力电子开关可以直 接采用全控型电力电
+
S1
S3 S5
子器件，如GTR、
M
GTO、IGBT等路组成电子开
_ S4
S6 S2
关。
三相输出的变频器的逆变电路尽管在开关元件的选用、 电子开关的构成、控制方式等多个方面有很大的差异， 但其逆变电路的基本拓扑结构都是一个三相桥式电路， 有6个桥臂，每个桥臂为一个电力电子开关，如图
2
6.1 通 用 变 频 器 ： 知 名 品 牌 变 频 器
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西门子 安川
ABB 日立
三菱
福凌
3
6.1
n
通
用
变
f1
频
f2
器
f3
：
f4
基 本 原
f1>f2>f3>f4>f5
f5
0
T
理
交流异步电动机的转速n为
n 60 f (1 s) p
变频调速是通过变频器 向电机的定子输出一个 电压，其频率可以连续
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
① PAM控制方式
该工作方式是在输出交流电的每一个周期中6个电子开关 通断一次，通断的顺序为：1→2→3→4→5→6→1。输出电 压的波形为方波或阶梯波，电子开关的导通持续时间为120º 或180º。120º导电和180º导电型的输出线电压和相电压的波 形是不同的，第三章已作过较详细的介绍，不再赘述。