CN110023132A - 用于有轨车辆的电网络、有轨车辆和用于运行电网络的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于有轨车辆(22)的电网络(13),其中,所述电网络(13)包括第一高压区段(14),其中,所述电网络(13)包括至少一个低压负载(6a,…,7c)和至少一个换流器(5,21),其中,所述电网络(13)包括至少一个其他的高压区段(20),其中,所述第一高压区段(14)和所述至少一个其他的高压区段(20)经由至少一个高压‑直流电压转换器(3)电连接,其中,所述至少一个低压负载(6a,…,7c)和所述至少一个其他的高压区段(20)经由所述至少一个换流器(13)连接,以及一种有轨车辆(22)和一种用于运行电网络(13)的方法。

Description

用于有轨车辆的电网络、有轨车辆和用于运行电网络的方法
技术领域
本发明涉及一种用于有轨车辆的电网络、一种有轨车辆以及一种用于运行电网络的方法。
背景技术
已知有轨车辆的电网络包括所谓的高压区段。这种高压区段例如可以经由受电弓(Pantograph)与滑接线(Fahrdraht)电连接,其中,滑接线具有例如600V、750V、900V、1000V、1200V、1500V或3000V的高压电位。在此,高压电位也在DIN EN 50163:2005-07中公开。此外,已知车辆、尤其有轨车辆也具有所谓的低压区段,其中,低压区段例如可以具有24V、48V、72V、96V或110V的低压电位。在此,低压电位也在DIN EN 50155 VDE 0155-200:2008-03中并且在DIN EN 60077-1:2003-04和DIN EN 60077-2:2003-04中公开。在低压区段中可以布置有所谓的低压负载,例如照明装置、通风装置和其他的负载。
高压区段和低压区段通常经由直流电压转换器电连接。在低压区段中通常同样布置有所谓的低压电池,该低压电池存储用于供给低压负载的能量。低压区段的供电线路在此延伸通过可以布置有低压负载的有轨车辆的所有车厢。为了可以以低压电压电位提供足够能量用以运行负载,需要相对较大的线路横截面,以便传导必要的电流。
DE 10 2012 216 312 A1公开一种有轨车辆和一种用于运行有轨车辆的方法,该有轨车辆适用于电池运行并且该有轨车辆包括中间回路电路和电池,其中,该有轨车辆包括用于提供中间回路电压的装置和用于在第一电压水平与第二电压水平之间降低和/或提高中间回路电压的装置,其中,第二电压水平相应于电池电压。
WO 2009/010417 A2公开一种尤其用于有轨车辆的电驱动系统。在此设置如下:电驱动系统包括电驱动单元和与驱动单元直接或间接地连接的储能器装置,其中,储能器装置具有至少一个电储能器和至少一个电化学储能器。
WO 2015/039871涉及一种具有储能器的储能器装置,该储能器可以经由降压转换器和扼流线圈装置连接到供电装置上。此外,储能器装置具有升压转换器。
发明内容
在此提出如下技术问题:创建一种用于有轨车辆的电网络、一种有轨车辆以及一种用于运行电网络的方法,所述电网络、所述有轨车辆以及所述方法降低电网络的重量和安装开销并且同时能够实现低压负载的可靠的能量供给。
技术问题通过具有权利要求1、11和12的特征的主题来解决。本发明的其他有利构型由从属权利要求得出。
本发明的基本构思是在有轨车辆的电网络中设有彼此不同的至少两个高压区段,其中,各个低压负载或低压负载组可以经由换流器由这些高压区段中的一个高压区段来供给能量。换流器尤其可以是直流电压转换器。由此得出低压负载的分散式供电,其中,省去电网络的至今所使用的低压区段。
在此,提出一种用于有轨车辆的电网络。有轨车辆尤其可以是有轨电车(Straβenbahn)。然而,有轨车辆也可以是所谓的标准轨距有轨车辆(Vollbahnfahrzeug)。电网络在此可以表示有轨车辆的电网络。
电网络可以包括有轨车辆的所谓的牵引网络。此外,电网络可以用于高压负载和低压负载的电能供给。
电网络包括第一高压区段。第一高压区段也可以称为第一高压部分网络,其中,第一高压部分网络是电网络的部分。
第一高压区段尤其可以具有至少一个电流线路,所述至少一个电流线路具有第一高压电位。在此,第一高压电位可以相对于参考电位(例如有轨车辆的接地电位)或相对于轨道电位来测量。第一高压电位例如可以处在600V至3kV的范围内。这样的高压电位在DINEN50163:2005-07中尤其确定为滑接线电压。第一高压电位尤其可以等于750V或600V。第一高压区段尤其可以例如经由集电弓(Stromabnehmer)与外部供电网络是——例如经由滑接线——可电连接的。明显地,也可以经由至少一个保险元件(例如线路保护机构)实现第一高压区段与滑接线(即外部供电网络)之间的电连接。因此,第一高压电位可以相应于所谓的滑接线电压。
然而,第一高压区段也可以与有轨车辆的电网络的中间回路区段连接,其中,在中间回路区段中布置有所谓的中间回路电容器。在此,第一高压电位可以是中间回路的电位。中间回路区段例如可以经由整流器或四象限调节器与外部供电网络连接。这种连接还可以附加地经由变压器实现。第一高压区段也可以经由直流电压转换器与中间回路区段电连接。
所谓的高压负载可以连接到第一高压区段上。高压负载例如可以是加热装置。换流器、尤其逆变器也可以连接到第一高压区段上用以为有轨车辆的牵引电机提供电能。此外,另一换流器(例如逆变器)也可以连接到第一高压区段上用以为交流电压/交流电流负载提供电能。
因此,所提及的元件的至少一个输入连接端可以与第一高压区段电连接或可电连接。所提及的元件的输出连接端可以与参考电位——例如参考电位区段——电连接或可电连接。
此外,电网络包括至少一个低压负载。优选地,电网络包括多个低压负载或由超过一个低压负载构成的组。低压负载在此可以表示如下元件:该元件的最大允许的供电电压低于第一高压区段的高压电位。用于低压负载的最大允许的供电电位尤其可以是24V。低压负载例如可以是照明装置或有轨车辆的通风装置的部分。当然,有轨车辆也还可以包括其他的低压负载。电网络还包括至少一个换流器。这种换流器尤其可以用于连接至少一个低压负载或由多个低压负载构成的组。
至少一个或多个低压负载可以布置到低压区段上。然而,并非有轨车辆的所有低压负载都连接到低压区段上。电网络可以包括多个低压区段,尤其有轨车辆的每个车厢一个低压区段。低压区段也可以称为分散式的低压区段。连接到低压区段上的低压负载可以并联和/或串联地电连接。逻辑电路、尤其逻辑保护电路也可以连接到低压区段上。
根据本发明,电网络包括至少一个其他的高压区段,其中,第一高压区段和至少一个其他的高压区段经由至少一个高压-直流电压转换器电连接。在没有经由至少一个高压-直流电压转换器的电连接的情况下,第一高压区段和其他的高压区段尤其可以是彼此电分离的高压区段。在此,至少一个其他的高压区段也可以称为电网络的其他的高压部分网络。这种其他的高压区段也可以包括至少一个电流线路。其他的高压区段可以具有其他的高压电位。其他的高压电位尤其可以等于第一高压电位。其他的高压电位还可以大于低压电位。
其他的高压区段可以——如以下还将进一步阐述的那样——也称为稳定化的高压区段并且因此称为稳定化的高压车载网络。
此外,至少一个低压负载和至少一个其他的高压区段经由至少一个换流器连接。换句话说,至少一个低压负载经由至少一个换流器连接到其他的高压区段上。因此,低压区段——至少一个低压负载连接到该低压区段上——可以经由至少一个换流器与其他的高压区段连接。
电网络也可以包括多个低压负载,其中,这些低压负载中的每个分别经由一个换流器与其他的高压区段连接。替代地或累积地,由超过一个低压负载构成的组可以分别经由一个换流器与至少一个其他的高压区段连接。在这种情况下,多个低压负载——所述多个低压负载例如可以串联或并联地电连接——经由共同的换流器与其他的高压区段连接或连接到该其他的高压区段。
因此,至少一个低压负载未连接到有轨车辆的低压车载网络上。更确切地说,至少一个其他的高压区段以及用于连接低压负载的至少一个换流器代替低压车载网络。由此,能够以有利的方式实现减小电线路的线路横截面,因为为了基于其他的高压区段中的高压电位为低压负载供电不需要大电流流经其他的高压区段的电线路。由此可以以有利的方式降低电网络的重量并且因此降低有轨车辆的重量,这又导致在有轨车辆的驱动的情况下降低的能耗。此外,基于较小的线路横截面以有利的方式得出有轨车辆中、尤其在有轨车辆的两个车厢之间的车厢过渡处的区域中电网络的简化的安装/装配,因为不需要设置和装配开销高的接头过渡点。此外,以有利的方式也得出至少一个低压负载的可靠的供电。
在另一实施方式中,电网络包括至少一个高压电池,其中,至少一个高压电池与至少一个其他的高压区段电连接。在此,高压电池可以与有轨车辆的所谓的牵引电池不同。因此,有轨车辆可以包括牵引电池,其中,牵引电池与第一高压区段电连接/可连接。
高压电池的额定电压(Nennspannung)可以等于至少一个其他的高压区段的高压电位。替代地,高压电池的开路电压(Leerlaufspannung)可以等于其他的高压区段的高压电位。高压电池可以是可充电的电池。高压电池的输入连接端可以与其他的高压区段连接,并且高压电池的输出连接端可以与参考电位连接。用于为高压电池充电的电能在此可以经由高压-直流电压转换器由第一高压区段和/或由外部供电网络提供。
高压-直流电压转换器尤其可以——但是不仅仅——在这种实施方式中是有源的直流电压转换器,其中,有源的直流电压转换器经由可控元件由输入电压(例如第一高压区段的高压电位)提供所期望的输出电压(例如以其他的高压区段的高压电位)。在此可以是如下情况:输入电压在时间上变化,其中,高压-直流电压转换器提供时间上恒定的或几乎恒定的输出电压。
尤其基于外部供电网络的变化的电压或在与外部供电网络电接通的损耗的情况下,在第一高压区段中的高压电位可以在时间上变化。然而,在这种情况下可以以有利的方式基于高压电池在其他的高压区段中提供在时间上恒定的高压电位。因此,其他的高压区段也可以称为稳定化的高压车载网络。
由此,以有利的方式提高如下低压负载的供电可靠性:所述低压负载经由至少一个换流器连接到该其他的高压区段。
在另一实施方式中,电网络包括有轨车辆的每个车厢至少一个换流器用以连接至少一个低压负载。当然也能够实现,用于有轨车辆的一个、多个或所有车厢的电网络分别包括超过一个换流器。
因此,可以在有轨车辆的每个车厢中分别布置有一个换流器。然后,该车厢的至少一个低压负载可以经由该换流器连接到其他的高压区段上。
例如可设想的是:至少一个低压负载或多个低压负载布置在固定板上或在开关柜中,其中,该固定板或开关柜又布置在有轨车辆的车厢中。在这种情况下,至少一个换流器也可以布置在固定板上/处或在开关柜中。
此外可设想的是:有轨车辆包括超过一个车厢、尤其直至七个或直至九个车厢。
通过每个车厢布置用于连接低压负载的至少一个换流器以有利的方式得出低压负载的尤其具有所谓的岛拓扑(Inseltopologie)的分散式供电。尤其以有利的方式能够实现:其他的高压区段的电线路可以引导到有轨车辆的车厢中的每个车厢中,由此——如先前所阐述的那样——减小的线路横截面导致电网络的降低的重量并且因此导致有轨车辆的降低的重量。
在另一实施方式中,有轨车辆的一个车厢的低压负载或由有轨车辆的一个车厢的多个低压负载构成的组经由换流器与其他的高压区段连接。这和相应的优点先前已经阐述。
在另一实施方式中,用于连接至少一个低压负载的至少一个换流器是直流电压转换器。由此可以有利地为直流电压低压负载可靠地供给电能。
在一种替代的实施方式中,换流器当然也可以是逆变器,尤其用以将交流电压低压负载连接到其他的高压区段。这又能实现这样的交流电压低压负载的可靠的供电。
在另一实施方式中,在第一高压区段和至少一个其他的高压区段中的额定直流电压电位(Soll-Gleichspannungspotential)相等。这尤其可以意味着:在第一高压区段和至少一个其他的高压区段中的所期望的直流电压电位相等。如先前阐述的那样,在第一高压区段和至少一个其他的高压区段中的高压电位能够在时间上变化。然而主要的是,这些高压区段的额定电位相等。在其他的高压区段中的额定高压电位尤其也可以是750V或600V。由此,以有利的方式不实现高压直流电压转换器的开销高的且有损耗的运行。
然而也能够实现,在第一高压区段和至少一个其他的高压区段中的额定直流电压电位彼此不同。
在另一实施方式中,在至少一个其他的高压区段中的直流电压电位(即高压电位)是稳定化的直流电压电位。这可以意味着:在其他的高压区段中的直流电压电位与所期望的额定直流电压电位(即额定高压电位)偏差不超过预给定的程度。在第一高压区段中高压电位与额定电位的最大允许的或最大出现的偏差可以大于在其他的高压区段中相应的最大允许的或最大出现的偏差。如先前所阐述的那样,这可以通过在其他的高压区段中布置高压电池来实现。替代地或累积地,可以如此运行至少一个高压-直流电压转换器,使得在其他的高压区段中提供稳定化的直流电压电位。
在另一实施方式中,至少一个低压负载布置在接地的低压区段中。这可以意味着:低压负载的至少一个连接端、尤其输出连接端与先前阐述的参考电位电连接。
通过在接地的低压区段中布置低压负载以有利的方式实现:可以简单且可靠地识别出所谓的第一故障(Erstfehler),并且因此可以采取相应的故障管理措施。这尤其可以意味着:可以快速地探测到这样的低压负载的功能性故障,并且通过相应地采取的措施可以使对于有轨车辆的用户和操作人员的风险最小化。
在一种替代的实施方式中,至少一个低压负载布置在隔离的低压区段中。这可以意味着:低压负载的连接端中的任何一个都不与参考电位连接。
通过在隔离的低压区段中布置低压负载以有利的方式得出确保第一故障安全性。
原则上,低压负载布置在接地的还是隔离的低压区段中可以取决于相应的运行情景。
在另一实施方式中,至少一个其他的高压区段的至少一个电线路在有轨车辆的至少两个车厢、优选所有的车厢中延伸。在此可设想的是:恰好一个电线路延伸通过有轨车辆的所有车厢或超过一个车厢。然而明显地,其他的高压区段也能够包括多个电线路,其中,各一个电线路例如可以延伸到有轨车辆的各一个车厢中,其中,每一个电线路可以分别延伸通过有轨车辆的多个车厢、然而不是所有车厢。然后,相应的车厢的各一个换流器可以连接到电线路上用以连接相应的车厢的低压负载。
由此,以有利的方式得出在有轨车辆的每个车厢中低压负载的以降低的重量可实现的布线。
此外还提出一种具有根据在本公开内容中所描述的实施方式中的一种的电网络的有轨车辆。
在此,有轨车辆可以包括一个、然而优选多个车厢。在每个车厢中可以布置有至少一个低压负载。此外,在车厢中的每个中可以布置有高压电池。此外,在车厢中、优选在与高压电池相同的车厢中可以布置有高压-直流电压转换器。此外,在车厢中的一个中至少一个其他的高压区段的至少一个电线路可以延伸通过有轨车辆的多个车厢、然而不是所有车厢或延伸通过有轨车辆的所有车厢。
由此以有利的方式得出一种如下的有轨车辆——该有轨车辆具有用于低压负载的供电的布线的降低的重量和用于电网络的电线路的敷设的降低的安装-装配成本,尤其因为在用于电线路的车厢过渡处不需要设有开销高的要构建的过渡点。
此外提出一种用于运行根据在本公开内容中所描述的实施方式中的一种的电网络的方法。在此,至少一个换流器由其他的高压区段为至少一个低压负载提供低压电压。
在此,用于连接低压负载的换流器可以是有源的换流器。
此外,例如通过适当地操控有源高压-直流电压转换器的可控元件能够实现将电能由其他的高压区段传输到第一高压区段中。用于运行有轨车辆的牵引电机的电能例如可以由其他的高压区段传输到第一高压区段中并且传输至牵引电机。同样能够实现将电能由其他的高压区段传输到外部供电网络中(反馈送)。这同样可以通过适当地运行高压-直流电压转换器的可控元件来实现。
附图说明
根据一种实施例进一步阐述本发明。附图示出:
图1示出根据本发明的电网络的电路示意图;并且
图2示出有轨车辆的示意侧视图。
以下,相同的附图标记表示具有相同的或类似的技术特征的元件。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的电网络13的电路示意图。电网络13包括第一高压区段14。第一高压区段14经由保险元件2——例如构造为线路保护机构的保险元件2——与集电弓1连接。集电弓1可以接通滑接线15,其中,在滑接线上施加相对于外部供电网络的参考电位的例如600V的高压电位。因此,第一高压区段14的额定高压电位例如可以是600V。
电高压负载、尤其加热装置8的输入连接端可以经由开关元件16分别与第一高压区段14连接。加热装置8的输出连接端与参考电位区段17电连接。参考电位区段17经由车轮接触部9与轨道18电连接,有轨车辆22在该轨道上行驶(参见图2)。
还示出牵引逆变器10,其中,牵引逆变器10的输入连接端经由线路保护元件19(例如所谓的NH保险元件)与第一高压区段14连接。牵引逆变器10的输出连接端又与参考电位区段17连接。牵引逆变器10提供交流电压用以运行有轨车辆22的交流驱动电机23。
还示出逆变器11,其中,逆变器11的输入连接端经由线路保护元件19与第一高压区段14电连接。逆变器11的输出连接端又与参考电位区段17连接。逆变器11的交流电压部分的输出连接端可以与相应的逆变器负载电连接。
电网络13还包括其他的高压区段20。其他的高压区段20经由高压-直流电压转换器3——该高压-直流电压转换器可以是有源的直流电压转换器——与第一高压区段14电连接。电网络13还包括高压电池4,其中,高压电池4的输入连接端(正极)与其他的高压区段20连接,并且高压电池的输出连接端(负极)与参考电位区段17连接。其他的高压区段20同样可以具有600V的高压电位。
同样地,高压电池4可以与高压-直流电压转换器3的未示出的电池输出连接端连接。在这种情况下,可以将高压电池4在内部经由高压-直流电压转换器3或在外部经由二极管(未示出)与其他的高压区段20连接。
此外,电网络13包括接地的低压区段6,其中,接地的低压区段6又包括低压负载6a、6b、6c。在图1中示出的实施例中,低压负载6a、6b、6c并联电连接。此外,这些低压负载中的两个低压负载构造为电阻式的低压负载6a、6b而一个低压负载构造为电感式的低压负载6c。然而,这仅仅是低压负载6a、6b、6c的示例性的构造和连接。
第一低压区段6经由构造为直流电压转换器的用于连接低压负载6a、6b、6c的换流器21电连接到其他的高压区段20。在此,换流器21的输入连接端与其他的高压区段20以及与参考电位区段17连接。换流器21的输出连接端与低压区段6连接。还示出接地的低压区段6的低压负载6a、6b、6c的至少一个连接端与参考电位区段17电连接。
还示出隔离的低压区段7,该低压区段又包括低压负载7a、7b、7c。隔离的低压区段7的低压负载7a、7b、7c又并联电连接。然而,这种并联电路仅仅是示例性的布置。明显地,也可以设想低压负载7a、7b、7c的其他的连接。隔离的低压区段7经由另一换流器5与其他的高压区段20电连接。在此——如先前关于换流器21所阐述的那样——另一换流器5的输入连接端与其他的高压区段20和参考电位区段17连接。另一换流器5的输出连接端与隔离的低压区段7的连接端连接。在隔离的低压区段中,低压负载的连接端中的任何一个都不与参考电位区段17电连接。
通过虚线示意性地示出有轨车辆22(参见图2)的不同车厢W1、W2、W3、W4、W5之间电网络13的分离。在此示例性地示出这种分离。在此示出具有相应的低压负载6a、6b、6c的接地的低压区段6布置在有轨车辆22的第四车厢W4中。同样地,用于连接接地的低压区段6的换流器21布置在第五车厢W5中。具有低压负载7a、7b、7c的隔离的低压区段7以及用于连接隔离的低压区段7的另一换流器5布置在第五车厢W5中。高压-直流电压转换器3、高压电池4以及高压逆变器11布置在第三车厢W3中。牵引逆变器10布置在第二车厢W2中。加热装置8布置在第一和第五车厢W1、W5中。
还示出其他的高压区段20、尤其其他的高压区段20的电线路延伸通过有轨车辆22的所有五个车厢W1、…、W5。第一高压区段14、尤其第一高压区段14的电线路以及参考电位区段17、尤其参考电位区段17的电线路延伸通过有轨车辆22的所有车厢W1、…、W5。通过点示出电线路的车厢过渡处。
其他的高压区段20与换流器5、21组合地代替有轨车辆22的低压电压车载网络。由此可以减小其他的高压区段20的电线路的线路横截面以及更简单地构型车厢W1、…、W5之间的过渡点。
总体上,因此实现电线路的重量降低并且因此实现有轨车辆22的重量降低。
图2示出一种有轨车辆22的示意侧视图,该有轨车辆可以包括根据图1中示出的实施方式的电网络13。可以看出接通滑接线15的集电弓1。还可以看出轨道18,有轨车辆22在该轨道上行驶。有轨车辆、尤其有轨电车可以包括五个车厢W1、…、W5。在此,根据在图1中示出的实施方式的电网络13可以布置在这五个车厢W1、…、W5中。
附图标记列表:
1 集电弓
2 保险元件
3 高压-直流电压转换器
4 高压电池
5 换流器
6 接地的低压区段
7 隔离的低压区段
8 加热装置
9 车轮接触部
10 牵引逆变器
11 逆变器
12 车厢过渡处
13 电网络
14 第一高压区段
15 滑接线
16 开关元件
17 参考电位区段
18 轨道
19 电阻
20 其他的高压区段
21 换流器
22 有轨车辆
23 交流驱动电机

Claims (12)

1.一种用于有轨车辆(22)的电网络,其中,所述电网络(13)包括第一高压区段(14),其中,所述电网络(13)包括至少一个低压负载(6a,6b,6c,7a,7b,7c)和至少一个换流器(5,21),其特征在于,所述电网络(13)包括至少一个其他的高压区段(20),其中,所述第一高压区段(14)和所述至少一个其他的高压区段(20)经由至少一个高压-直流电压转换器(3)电连接,其中,所述至少一个低压负载(6a,…,7c)和所述至少一个其他的高压区段(20)经由所述至少一个换流器(5,21)连接。
2.根据权利要求1所述的电网络,其特征在于,所述电网络(13)包括至少一个高压电池(4),其中,所述至少一个高压电池(4)与所述至少一个其他的高压区段(20)电连接。
3.根据以上权利要求中任一项所述的电网络,其特征在于,所述电网络(13)对于所述有轨车辆(22)的每个车厢(W1,W2,W3,W4,W5)包括至少一个换流器(5,21)。
4.根据权利要求3所述的电网络,其特征在于,所述有轨车辆(22)的车厢(W1,…,W5)的低压负载(6a,…,7c)或由所述有轨车辆(22)的车厢(W1,…,W5)的多个低压负载(6a,…,7c)构成的组经由所述换流器(5,21)与所述其他的高压区段(20)连接。
5.根据以上权利要求中任一项所述的电网络,其特征在于,所述至少一个换流器(5,21)是直流电压转换器。
6.根据以上权利要求中任一项所述的电网络,其特征在于,在所述第一高压区段和所述至少一个其他的高压区段(14,20)中的额定直流电压电位相等。
7.根据以上权利要求中任一项所述的电网络,其特征在于,所述至少一个其他的高压区段(20)中的所述直流电压电位是稳定化的直流电压电位。
8.根据以上权利要求中任一项所述的电网络,其特征在于,所述至少一个低压负载(6a,6b,6c)布置在接地的低压区段(6)中。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的电网络,其特征在于,所述至少一个低压负载(7a,7b,7c)布置在隔离的低压区段(7)中。
10.根据以上权利要求中任一项所述的电网络,其特征在于,所述至少一个其他的高压区段(20)的至少一个电线路在所述有轨车辆(22)的至少两个车厢(W1,…,W5)中延伸。
11.一种有轨车辆,所述有轨车辆具有根据权利要求1至10中任一项所述的电网络(13)。
12.一种用于运行根据权利要求1至10中任一项所述的电网络(13)的方法,其特征在于,所述至少一个换流器(5,21)为所述至少一个低压负载(6a,…,7c)提供低压电压。
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