CN113541123B - 用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统 - Google Patents

用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统 Download PDF

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CN113541123B CN202111041470.9A CN202111041470A CN113541123B CN 113541123 B CN113541123 B CN 113541123B CN 202111041470 A CN202111041470 A CN 202111041470A CN 113541123 B CN113541123 B CN 113541123B
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Abstract

为了解决水下机器人供电系统的体积和重量过大的问题，本申请提供了一种用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统。该供电系统包括：第一AC/DC变换器；第二AC/DC变换器，所述第二AC/DC变换器的正输出端与所述第一AC/DC变换器的负输出端连接；第一输电线，与所述第一AC/DC变换器的正输出端连接；第二输电线，与所述第一AC/DC变换器的负输出端连接；第三输电线，与所述第二AC/DC变换器的负输出端连接。相对现有技术本申请提供的供电系统可以有效降低体积和重量。

Description

用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统
技术领域
本申请属于遥控水下机器人，特别涉及一种用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统。
背景技术
遥控水下机器人（ROV： Remotel UnderWater Operated Vehicle）是人类探索海洋和开发海洋资源的工具。目前，遥控水下机器人所需的电源全部来自于长距离脐带缆输送。随着遥控水下机器人应用领域的扩大，遥控水下机器人对供电功率要求越来越高。
遥控水下机器人探索距离的增加，脐带缆距离越来越长。为了减小脐带缆在水中的阻力，脐带缆不能做得太粗。这样线缆就有比较大的电阻，使电能传输效率大大降低。解决这一问题，遥控水下机器人的供电方式可以采用高压输电。通过提升传输电压来降低传输电流，从而降低线缆上的电能损耗。
目前高压输电有两种方式，一种是高压交流，一种是高压直流。交流电的升降压比较简单，采用变压器即可，但是体积和重量都远超遥控水下机器人所能承受的范围。
目前高压直流是现在水下电能输送比较常用的方案，但是用于遥控水下机器人的高输入电压降压电源的开发、设计难度大、风险高。且高耐压的开关管，比如IGBT模块，开关频率都比较低，变压器体积较大，这也使得该方案的降压电源的体积和重量偏大。
发明内容
基于此，本申请提供了一种用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统，包括：第一AC/DC变换器；第二AC/DC变换器，所述第二AC/DC变换器的正输出端与所述第一AC/DC变换器的负输出端连接；第一输电线，与所述第一AC/DC变换器的正输出端连接；第二输电线，与所述第一AC/DC变换器的负输出端连接；第三输电线，与所述第二AC/DC变换器的负输出端连接；相邻的所述AC/DC变换器共用同一根输电线，相邻的所述DC/DC变换器共用同一根输电线；在不会导致至少两个相邻的所述DC/DC变换器的输入端的输入电压的差异超过误差允许范围的前提下，缩小与该相邻所述DC/DC变换器的输入端连接的所述输电线的线径；若某个所述AC/DC变换器损坏，则关闭该所述AC/DC变换器，且短路该所述AC/DC变换器的输出端；若某个所述DC/DC变换器损坏，则关闭该所述DC/DC变换器，且关闭与该所述DC/DC变换器对应的所述AC/DC变换器，并短路该所述AC/DC变换器的输出端。
可选地，所述多线制高压供电系统，还可以包括：第一DC/DC变换器，所述第一DC/DC变换器的正输入端与所述第一输电线连接，所述第一DC/DC变换器的负输入端与所述第二输电线连接；第二DC/DC变换器，所述第二DC/DC变换器的正输入端与所述第二输电线连接，所述第二DC/DC变换器的负输入端与所述第三输电线连接。
可选地，所述第一DC/DC变换器的正输出端与所述第二DC/DC变换器的正输出端连接；所述第一DC/DC变换器的负输出端与所述第二DC/DC变换器的负输出端连接。
可选地，所述第一AC/DC变换器和所述第二AC/DC变换器包含于岸上电源；所述第一输电线、所述第二输电线和第三输电线包含于多芯脐带缆；所述第一DC/DC变换器和所述第二DC/DC变换器包含于遥控水下机器人。
可选地，所述第一DC/DC变换器与所述第二DC/DC变换器相同。
可选地，所述第一DC/DC变换器与所述第二DC/DC变换器中的至少一项为隔离型电源变换器。
可选地，所述第一AC/DC变换器和所述第二AC/DC变换器相同。
可选地，所述多线制高压供电系统，还可以包括：第一交流电源，与所述第一AC/DC变换器的输入端连接，并与所述第二AC/DC变换器的输入端连接。
在本申请的一些实施例中提供了一种用于遥控水下机器人的供电系统。该多线制高压供电系统采用多芯电缆进行直流输电，并在受电端采用多个DC/DC变换器进行电源转换。该多个DC/DC变换器可以串联输入，且并联输出。从而使得本申请所提供的多线制高压供电系统具有高压直流供电的低压直流供电的折中效果。
本申请提供的多线制高压供电系统的受电端的多个DC/DC变换器的输入电压和输出电压均不算太高。与图1所示方案相比，本申请提供的多线制高压供电系统中的DC/DC变换器的其设计难度和运行风险相对明显降低。同时本申请提供的多线制高压供电系统在受电端可以采用耐压不算太高的晶体开关管。该晶体开关管的价格相对低廉，同时该开关管的开关频率可以相对较高。本申请提供的多线制高压供电系统的DC/DC变换器中的变压器可以因开关频率提高而缩小。因而本申请提供的多线制高压供电系统的中的受电装置的生产成本可以相对较低，体积可以相对较小。
相对于图2所示的供电系统，本申请提供的多线制高压供电系统的脐带电缆可以采用数量较少的输电线。脐带电缆的线径也可以相对较细。因而本申请提供的多线制高压供电系统的脐带电缆可以更细、更轻，成本也可以更低。同时本申请提供的多线制高压供电系统的传输损耗可以更小，传输效率可以更高。更加适合深水作业。
本申请提供的多线制高压供电系统的供电端和受电端均采用模块化设计。从而可以降低系统的平均故障排查时间。同时在该多线制高压供电系统中的个别AC/DC变换器或者DC/DC变换器损坏时，该多线制高压供电系统仍能正常运转。因而，该多线制高压供电系统具有较高的可靠性、稳定性和健壮性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。
图1示出了现有技术中用于遥控水下机器人供电的一种供电系统。
图2示出了现有技术中用于遥控水下机器人供电的另一种供电系统。
图3示出了本申请的一个实施例用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统的组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1示出了现有技术中用于遥控水下机器人供电的一种供电系统。
如图1所示供电系统可以包括：岸上电源11、脐带电缆12和受电装置13。其中，岸上电源11包括高电压输出的AC/DC变换器111。脐带电缆12可以是2芯电缆，包括输电线L1和输电线L2。受电装置13为遥控水下机器人，可以包括高电压输入的DC/DC变换器131。
为了减少输电线L1和输电线L2上的电能损耗。在输电线L1和输电线L2上传输的电能的电压比较高，一般可以达到数千伏特。而对于输入电压如此高的DC/DC变换器131，其设计难度相对较大，设计风险较大。而且高耐压的晶体开关管的价格一般比较高，因而该方案中的DC/DC变换器131成本比较高。因而推高了遥控水下机器人的整体成本。同时高耐压的晶体开关管的开关频率一般比较低。较低的开关频率必然导致DC/DC变换器131的体积重量增加，使得遥控水下机器人变得相对笨重。难以适应相对复杂的水下任务。
图2示出了现有技术中用于遥控水下机器人供电的另一种供电系统。
如图2所示，供电系统2000可以包括岸上电源21、脐带电缆22和受电装置23。其中，岸上电源21可以包括n个AC/DC变换器，其中n为大于等于2的整数。受电装置23可以是遥控水下机器人，可以包括n个DC/DC变换器。该n个DC/DC变换器可以并联输出。脐带电缆22可以包括n对输电线，分别连接于n个AC/DC变换器和n个DC/DC变换器之间。n个AC/DC变换器的输出端可以通过n对输电线与n个DC/DC变换器直接连接。
如图2所示，在供电系统2000中，脐带电缆22中传输的电压比较低，一般可以为数百伏特。在供电系统2000中，脐带电缆22中采用的输电线很多，因而可以导致脐带电缆22比较粗，且比较重。影响了遥控水下机器人的运动灵活性。
如图2所示，假定各个AC/DC变换器均相同，且各个DC/DC变换器均相同。则各个DC/DC变换器的输入电流相同，假定均为i。假定各个输电线的材质、长度、线径均相同。则假定各个输电线的传输电阻均相同，假设为r。供电系统2000的传输损耗为：
P 2000 =2ni 2 r（1）
由式（1）所示，供电系统2000的传输损耗与数量n成正比，该损耗的数值相对较大。为了弥补上述过大的损耗则一般需要增大输电线的线径，从而进一步增加了脐带电缆22的重量。进一步影响了遥控水下机器人的灵活性。
图3示出了本申请的一个实施例用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统的组成示意图。
如图3所示，多线制高压供电系统3000可以包括：岸上电源31、脐带电缆32和受电装置33。
其中岸上电源31可以设置于岸上，把岸上电能输入转换成便于向遥控水下机器人传输的直流电能。岸上电源31可以包括至少两个AC/DC变换器。如示例实施例所示岸上电源31可以包括AC/DC变换器311、AC/DC变换器312。
如图3所示，AC/DC变换器311和AC/DC变换器312中的至少一个的输出电压可以相对较小，一般可以为数百伏特。可选地，AC/DC变换器311和AC/DC变换器312中的至少一个可以是隔离型AC/DC变换器。可选地，AC/DC变换器311和AC/DC变换器312的输出电压可以相同。进一步地，AC/DC变换器311和AC/DC变换器312可以是相同的AC/DC变换器。
AC/DC变换器311、AC/DC变换器312中的至少一个的前端可以连接三相380V交流电能输入。AC/DC变换器311、AC/DC变换器312的前端可以连接同一的交流电能输入，也可以连接不同的交流电能输入。
AC/DC变换器311、AC/DC变换器312可以串连输出。如示例实施例所示：AC/DC变换器312的正输出端可以与AC/DC变换器311的负输出端连接。
如图3所示，可选地，岸上电源31也可以包括AC/DC变换器31n，其中n为≥3的整数。可选地，AC/DC变换器31n可以是隔离型AC/DC变换器。可选地，AC/DC变换器31n可以与AC/DC变换器311、AC/DC变换器312、……、AC/DC变换器31n-1中的至少一个的输出电压相同。可选地，AC/DC变换器31n可以与AC/DC变换器311、AC/DC变换器312、……、AC/DC变换器31n-1中的至少一个为相同的AC/DC变换器。
可选地，AC/DC变换器31n可以与AC/DC变换器311、AC/DC变换器312、……、AC/DC变换器31n-1中的至少一个串联输出。AC/DC变换器31n的正输出端可以与AC/DC变换器31n-1的负输出端连接。
如图3所示受电装置33可以是遥控水下机器人。受电装置33可以包括至少两个DC/DC变换器。如示例实施例所示，受电装置33可以包括DC/DC变换器331和DC/DC变换器332。DC/DC变换器331的输入电压接受范围可以与AC/DC变换器311的输出电压匹配。DC/DC变换器332的输入电压接受范围可以与AC/DC变换器312的输出电压匹配。DC/DC变换器331和DC/DC变换器332中的至少一个可以是隔离型DC/DC变换器。DC/DC变换器331和DC/DC变换器332的输出电压可以相等。进一步地，DC/DC变换器331和DC/DC变换器332可以是相同的DC/DC变换器。
DC/DC变换器331和DC/DC变换器332可以串联输入，且并联输出。如示例实施例所示， DC/DC变换器332的正输入端可以连接于的DC/DC变换器331负输入端。DC/DC变换器332的正输出端可以连接于DC/DC变换器331的正输出端。DC/DC变换器332的负输出端可以连接于DC/DC变换器331的负输出端。
如图3所示，可选地，受电装置33也可以包括DC/DC变换器33n。可选地，DC/DC变换器33n的输入电压接受范围可以与AC/DC变换器31n的输出电压匹配。DC/DC变换器33n可以是隔离型DC/DC变换器。可选地，DC/DC变换器33n可以与DC/DC变换器331、DC/DC变换器332、……、DC/DC变换器33n-1中的至少一个的输出电压相同。进一步地，DC/DC变换器33n可以与DC/DC变换器331、DC/DC变换器332、……、DC/DC变换器33n-1中的至少一个为相同的DC/DC变换器。
相应地，DC/DC变换器33n可以与DC/DC变换器331、DC/DC变换器332、……、DC/DC变换器33n-1串联输入，且并联输出。DC/DC变换器33n的正输入端可以连接于的DC/DC变换器33n-1负输入端。DC/DC变换器33n的正输出端可以连接于DC/DC变换器33n-1的正输出端。DC/DC变换器33n的负输出端可以连接于DC/DC变换器33n-1的负输出端。
如图3所示，脐带电缆32可以是多芯电缆。脐带电缆32可以包括至少三根输电线。如示例实施例所示，脐带电缆32可以包括输电线L1、输电线L2和输电线L3。可选地，脐带电缆32也可以包括输电线Ln。岸上电源31所包括的各个AC/DC变换器可以与受电装置33所包括的各个DC/DC变换器通过脐带电缆所包括的输电线分别直接连接。且相邻的AC/DC变换器共用同一根输电线，相邻的DC/DC变换器共用同一根输电线。
例如，输电线L1可以连接于AC/DC变换器311的正输出端与DC/DC变换器331的正输入端之间。输电线L2可以连接于AC/DC变换器311的负输出端与DC/DC变换器331的负输入端之间。
AC/DC变换器312的正输出端可以与AC/DC变换器311的负输出端共用输电线L2。DC/DC变换器332的正输入端也可以与DC/DC变换器331的负输入端共用输电线L2。输电线L3可以连接于AC/DC变换器312的负输出端与DC/DC变换器332的负输入端之间。
AC/DC变换器31n的正输出端可以与AC/DC变换器31n-1的负输出端共用输电线Ln。DC/DC变换器33n的正输入端也可以与DC/DC变换器33n-1的负输入端共用输电线Ln。输电线Ln+1可以连接于AC/DC变换器31n的负输出端与DC/DC变换器33n的负输入端之间。
如图3所示，输电线L2的传输电流IL2等于DC/DC变换器332的输入电流I332I与DC/DC变换器331的输入电流I331I的差。在理想情况下DC/DC变换器331与DC/DC变换器332可以完全相同。则DC/DC变换器331与DC/DC变换器332输入功率可以完全相同。AC/DC变换器311和AC/DC变换器312可以完全相同。则AC/DC变换器311和AC/DC变换器312的输出电压可以完全相同。忽略输电线L1、输电线L2和输电线L3上的电压衰减，则DC/DC变换器331与DC/DC变换器332的输入电压可以相同。因而，DC/DC变换器331的输入电流I331I与DC/DC变换器332的输入电流I332I可以相等，假定其均为i。则所以输电线L2的传输电流IL2=i-i=0。
根据相似的原理，输电线L3的传输电流IL3为0，……，输电线Ln的传输电流ILn为0。而输电线L1的传输电流IL1与输电线Ln+1的传输电流ILn+1可以均为i。假定输电线L1、输电线L2、……、输电线Ln+1的阻抗相同，均为r。则多线制高压供电系统3000的传输损耗为：
P 3000 =2i 2 r（2）
根据式（1）和式（2），显然P3000<P2000。
对比供电系统2000和多线制高压供电系统3000。多线制高压供电系统3000的传输损耗更小，即使遥控水下机器人工作于较深的海域，多线制高压供电系统3000也可以保障该遥控水下机器人可以获得足够的能源供给。
同时，多线制高压供电系统3000采用了更少的输电线（多线制高压供电系统3000采用n+1根输电线，供电系统2000采用2n根）。因而多线制高压供电系统3000中的脐带电缆32可以更细，重量可以更轻。
在实际应用中，由于AC/DC变换器311、AC/DC变换器312、……、AC/DC变换器31n一般会存在一定的差异。DC/DC变换器331、DC/DC变换器332、……、DC/DC变换器33n也会存在一定的差异。输电线L1、输电线L2、……、输电线Ln上的电压衰减也不能忽略。
因而DC/DC变换器331的输入电流I331I、DC/DC变换器332的输入电流I332I、……、DC/DC变换器33n的输入电流I33nI之间一般也会存在一定的差异。输电线L2的传输电流IL2、输电线L3的传输电流IL3、……、输电线Ln的传输电流ILn也不是都为零。输电线L2的传输电流IL2、输电线L3的传输电流IL3、……、输电线Ln的传输电流ILn一般远小于电流i。
可选地，可以适当缩小输电线L2、输电线L3、……、输电线Ln中至少一个的线径。从而可以缩小脐带电缆32的直径和重量，降低成本。
输电线L2的传输电流IL2、输电线L3的传输电流IL3、……、输电线Ln一般可以用于平衡DC/DC变换器331、DC/DC变换器332、……、DC/DC变换器33n的输入电压，使得各个DC/DC变换器输入电压之间的差异可以在误差允许范围内。如果输电线L2、输电线L3、……、输电线Ln中任何一个的线径过小，都会影响电压平衡的效果。
可选地，可以在电压平衡与脐带电缆32的重量之间做折中，合理地缩小输电线L2、输电线L3、……、输电线Ln中至少一个的线径。
可选地，可以通过配对实验的方式，筛选DC/DC变换器，提高DC/DC变换器331、DC/DC变换器332、……、DC/DC变换器33n中的至少两个相邻DC/DC变换器的参数的相似度。从而可以降低该至少两个相邻DC/DC变换器的输入电流差异，降低与该至少两个相邻DC/DC变换器的输入端连接的输电线的传输电流。从而可以在不会导致该至少两个相邻DC/DC变换器的输入端的输入电压的差异超过误差允许范围的前提下，进一步缩小与该至少两个相邻DC/DC变换器的输入端连接的输电线的线径。
可选地，多线制高压供电系统3000中的岸上电源31为模块化设计，包括多个AC/DC变换器。受电装置33也为模块化设计，包括多个DC/DC变换器。
因而，当多线制高压供电系统3000中的个别AC/DC变换器损坏时，可以关闭该AC/DC变换器，并短路该AC/DC变换器的输出端。使得多线制高压供电系统3000仍能正常运转。
当多线制高压供电系统3000中的个别DC/DC变换器损坏时，可以关闭该DC/DC变换器并关闭该DC/DC变换器对应的AC/DC变换器。继而短路该对应的AC/DC变换器的输出端。从而可以使得多线制高压供电系统3000仍能正常运转。因而多线制高压供电系统3000具有较高的稳定性和健壮性。
可选地，多线制高压供电系统3000还可以包括第一交流电源（未示出）。可选地，第一交流电源可以是三相380伏特交流电源。第一交流电源可以与岸上电源31所包括的至少一个AC/DC变换器的输入端连接。比如第一交流电源可以连接于AC/DC变换器311的输入端，并可以同时连接于AC/DC变换器312的输入端。
在本申请的一些实施例中提供了一种用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统。该多线制高压供电系统采用多芯电缆进行直流输电，并在受电端采用多个DC/DC变换器进行电源转换。该多个DC/DC变换器可以串联输入，且并联输出。相对于高压直流供电方案的低压直流供电方案，本申请所提供的多线制高压供电系统具有一定的优势。
本申请提供的多线制高压供电系统中，较高电压直流电能被转换成多个较低直流电压电能的串联。在受电端的多个DC/DC变换器中的每一个的输入电压和输出电压均不算太高。与图1所示方案相比，本申请提供的多线制高压供电系统中的DC/DC变换器可以采用相对成熟的，较低电压的DC/DC变换器方案。其设计难度和运行风险相对明显降低。
同时本申请提供的多线制高压供电系统在受电端可以采用耐压不算太高的晶体开关管。该晶体开关管的价格相对低廉，同时该开关管的开关频率可以相对较高。本申请提供的多线制高压供电系统的DC/DC变换器中的变压器可以因开关频率提高而缩小。因而本申请提供的多线制高压供电系统的中的受电装置的生产成本可以相对较低，体积可以相对较小。因而采用本申请提供的多线制高压供电系统的遥控水下机器人的操控性可以更好，搭载能力可以更强。
相对于图2所示的供电系统，本申请提供的多线制高压供电系统的脐带电缆可以采用数量较少的输电线。脐带电缆的线径也可以相对较细。因而本申请提供的多线制高压供电系统的脐带电缆可以更细、更轻，成本也可以更低。同时本申请提供的多线制高压供电系统的传输损耗可以更小，传输效率可以更高。更加适合深水作业。
本申请提供的多线制高压供电系统的供电端和受电端均采用模块化设计。从而可以降低系统的平均故障排查时间。同时在该多线制高压供电系统中的个别AC/DC变换器或者DC/DC变换器损坏时，该多线制高压供电系统仍能正常运转。因而，该多线制高压供电系统具有较高的可靠性、稳定性和健壮性。
以上对本申请实施例进行了详细介绍。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (6)

1.一种用于遥控水下机器人的多线制高压供电系统，其特征在于，包括：
第一AC/DC变换器；
第二AC/DC变换器，所述第二AC/DC变换器的正输出端与所述第一AC/DC变换器的负输出端连接；
第一输电线，与所述第一AC/DC变换器的正输出端连接；
第二输电线，与所述第一AC/DC变换器的负输出端连接；
第三输电线，与所述第二AC/DC变换器的负输出端连接；
第一DC/DC变换器，
所述第一DC/DC变换器的正输入端与所述第一输电线连接，
所述第一DC/DC变换器的负输入端与所述第二输电线连接；
第二DC/DC变换器，
所述第二DC/DC变换器的正输入端与所述第二输电线连接，
所述第二DC/DC变换器的负输入端与所述第三输电线连接；
所述第一DC/DC变换器的正输出端与所述第二DC/DC变换器的正输出端连接；
所述第一DC/DC变换器的负输出端与所述第二DC/DC变换器的负输出端连接；
相邻的所述AC/DC变换器共用同一根输电线，相邻的所述DC/DC变换器共用同一根输电线；
在不会导致至少两个相邻的所述DC/DC变换器的输入端的输入电压的差异超过误差允许范围的前提下，缩小与该相邻所述DC/DC变换器的输入端连接的所述输电线的线径；
若某个所述AC/DC变换器损坏，则关闭该所述AC/DC变换器，且短路该所述AC/DC变换器的输出端；
若某个所述DC/DC变换器损坏，则关闭该所述DC/DC变换器，且关闭与该所述DC/DC变换器对应的所述AC/DC变换器，并短路该所述AC/DC变换器的输出端。
2.根据权利要求1所述的多线制高压供电系统，其特征在于，
所述第一AC/DC变换器和所述第二AC/DC变换器包含于岸上电源；
所述第一输电线、所述第二输电线和第三输电线包含于脐带电缆；
所述第一DC/DC变换器和所述第二DC/DC变换器包含于遥控水下机器人。
3.根据权利要求1所述的多线制高压供电系统，其特征在于，
所述第一DC/DC变换器与所述第二DC/DC变换器相同。
4.根据权利要求1所述的多线制高压供电系统，其特征在于，
所述第一DC/DC变换器与所述第二DC/DC变换器中的至少一项为隔离型电源变换器。
5.根据权利要求1所述的多线制高压供电系统，其特征在于，
所述第一AC/DC变换器和所述第二AC/DC变换器相同。
6.根据权利要求1所述的多线制高压供电系统，其特征在于，还包括：
第一交流电源，与所述第一AC/DC变换器的输入端连接，并与所述第二AC/DC变换器的输入端连接。
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