CN1476140A - 双不间断开关电源冗余输出方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双不间断开关电源冗余输出方法及系统，其将两台不间断开关电源的两组主输出电压分别送到输出分配单元，经输出分配单元隔离、并联、分路输出给若干负载；同时由两电源向电池组保护性地充电，断电时两电源同时从电池组放电取得能量而对负载进行持续供电；由监控单元对所述两电源进行监控。当两者均正常时，两者处于降额工作状态，共同分担负载所需能量。当两者之一交流断电或本身故障时，该电源自动关闭，而由另一电源向负载输出所需全部能量。系统具有多种保护功能，工作可靠，使系统达到更高的可用性和能源设备利用率，节约能源和成本；广泛适用于需要冗余热插拔方式供电的通讯、工业控制系统等使用。
Description
技术领域
本发明涉及组合式开关电源技术，具体是一种双不间断开关电源(Uninterruptible Switching Power Supply缩写为USPS)冗余输出方法，及由两台不间断开关电源组合成的冗余热插拔的不间断开关电源系统，以满足对电网高度敏感的、需长时间不间断运行的系统或设备的需求。
技术背景
随着以internet为代表的IT行业的蓬勃发展，对能源提出了更高的要求，相当多的网络通讯设备要求7×24小时连续工作不可间断，于是各种设备都会采用冗余的方式。除硬件配置的冗余之外，供电系统的冗余是必不可少的。因此，从设备投资，能源利用率到运行管理，都大大增加了成本。
中国发明专利《自耦互感式不间断电压变换方法及其不间断开关电源》提出了一种不间断开关电源(即USPS电源)，该USPS电源为对电网高度敏感的需长时间连续运行的各种系统提供了理想的选择。但该USPS电源多以单台电源直接与负载连接使用，对于需要冗余热插拔方式供电的通讯系统、某些工业控制及一些无人值守的设备等等，单个USPS电源是不能胜任的。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述不足，本发明提出一种双不间断开关电源冗余输出方法，及由两台不间断开关电源组合成的冗余热插拔的不间断开关电源系统，以满足那些需要以冗余热插拔方式供电的系统或设备的需求。
本发明的双不间断开关电源冗余输出方法，其特征在于包括：
将两台不间断开关电源(USPS)的两组主输出电压分别送到输出分配单元，由输出分配单元将所述两组主输出电压隔离、并联、分路输出给若干负载；
由电源监控单元对所述两台电源进行全自动监控，接收两者发出的交流输入或本身工作状态信号，并通过接口电路传送到控制中心，并送到声光状态提示单元；
由电池监控单元控制所述两台电源通过双向电池线共同向电池组保护性地充电，断电时两台电源同时从电池组放电取得能量而对负载进行持续供电，并通过接口电路传送信息到控制中心。
当两台USPS电源均正常工作时，两者处于降额工作状态，共同分担提供负载所需的能量。当两台USPS电源之一交流断电时，该台USPS电源自动关闭并向电源监控单元发出警告信号，而由另一台USPS电源向负载输出所需全部能量，电源监控单元根据所述的状态信号通过接口电路向控制中心发出告警信息。当两台USPS电源之一本身故障时，该台USPS电源自动发出警告，由另一台USPS电源向负载输出所需全部能量；同时该台故障电源可以被热插拔的方式更换。当两台USPS电源AC输入均不正常时，自动转换到两者的备用电池组供电方式，由备用电池组提供能源继续不间断地向负载输出所需全部能量。
按照上述方法的一种冗余的不间断开关电源系统，其特征在于包括：
两台不间断开关电源USPS(101A、101B)，用于提供两组主输出电压(102A、102B)；
一输出分配单元(501)，用于将输入的所述两组主输出电压(102A、102B)隔离、并联、分路输出给若干负载；
一电源监控单元(301)，它的两输入端分别接所述两台电源的监控信号(103A、103B)，用于对所述两台电源的全自动监控，接收两者发出的交流断电或本身故障状态信号，并通过接口电路(302)传送到控制中心及现场声光提示单元(303)；以及，
一电池监控单元(202)，它一端接电池组(201)，并分别接所述两台电源的双向电池线(104A、104B)，当AC正常时，所述两台电源经过电池监控单元(202)共同对电池组(201)进行保护性地充电，当AC异常或断电时，所述两台电源同时从电池组放电取得能量而对负载进行持续供电，并对电池的过放电进行保护。
本发明将两台不间断的开关电源(USPS)经过一输出分配单元组合成冗余热插拔的方式输出，这两台USPS电源都正常工作时，处于共同分担负载所需的能量转换工作，属于降额使用状态，其故障机率比全额使用为低。当两台USPS电源之一交流断电，该台USPS电源自动关闭并向电源监控单元发出告警信号，而由另一台USPS电源向负载输出所需全部能量。当两台USPS电源之一本身故障时，该台USPS电源自动发出警告，由另一台USPS电源向负载输出所需全部能量，同时该台故障电源可以被热插拔的方式更换。当两台USPS电源交流输入均不正常时，自动以在线方式转换到两者的备用电池组供电方式，从备用电池组取得能源继续不间断地向负载输出所需全部能量。
本发明，冗余的不间断开关电源系统，提供了上述五种异常状态的组合保护，工作可靠，能达到较高的可用度和能源设备利用率，节约能源；广泛适用于需要冗余热插拔方式供电的通讯系统、工业控制、及无人值守的设备等等。
附图说明
图1为本发明冗余的不间断开关电源系统框图；
图2为图1实施例电路图；
图3为其输出分配单元实施例电路图；
图4A为其电源监控单元的电源状态声音告警电路图；
图4B为其电源监控单元的发光报警电路图；
图5A、5B为其电源监控单元的两USPS电源交流输入监视和显示电路图；
图6A、6B为其电源监控单元的单台AC掉电后关机电路图；
图7A、7B为其电池状态监控电路图。
具体实施方式
结合实施例附图对本发明进一步描述。
图1、图2所示冗余的不间断开关电源系统，包括：两台USPS电源(101A、101B)，输出分配单元(501)，电源监控单元(301)，电池监控单元(202)，RS232或USB接口电路(302)以及声光状态提示单元等。其中两台USPS电源(101A、101B)的对外的所有连接均是以热插拔方式实现的。
两台USPS电源(101A、101B)的两组主输出电压(102A、102B)分别进入输出分配单元(501)，并经输出分配单元(501)进行隔离、并联、分路，并进行保护的各项连接处理，再输出给负载(502A、502B)。输出分配单元(501)是经过各支路独立的二极管隔离后，分别并联后，由一路或一路以上输出的。
两台不间断开关电源的交流输入电压AC1和AC2，可以是两路不同相的单相电压。分别单独输入到两台不间断电源USPS(101A、101B)。
来自两电源(101A、101B)的各监控信号(103A、103B)分别进入电源监控单元(301)，在(301)进行各种电压比较及逻辑处理，然后输送到RS-232接口进行相应的电平转换和隔离，最后输出到负载(如计算机)上的对应的接口，以实现软件监控及网络化管理。电源监控单元(301)还将已经处理的各监控信号送去一组声光报警显示系统(303)以实现现场硬件提示。
两台USPS电源(101A、101B)还经过各自的双向线路(104A、104B)分别连接到电池监控单元(202)，并由电池监控单元(202)连接到电池组(201)。当AC正常时(101A)和(101B)会同时分别输出电压经过单元(202)对电池保护性地充电。当AC异常或断电时，所述的USPS(101A)和(101B)同时经过此连接从电池放电取得能量而对负载进行持续供电。并对电池的的过充过放电提供保护。
其工作过程是：
两台USPS电源(101A、101B)同时插接到本装置的母板(MBD)上。当两台USPS电源均正常工作时，两者处于降额工作状态，共同分担提供负载所需的能量。
当两台USPS电源的两路的AC输入有任何一路发生中断，该中断对应的该台USPS电源将会自动关闭，而由另一台AC输入正常的USPS电源继续工作，为负载输出所需全部能量，同时电源监控单元将会收到该AC输入中断的USPS电源发来的告警信息，而转向控制中心网络发出相应的告警，以让操作者及时处理故障。
当两台所述USPS电源的AC输入同时发生中断时，两台USPS电源会同时进入后备支持状态而由电池来提供能源继续不间断地向负载提供能量。同时经过电源控制单元向控制中心网络发出相应的警告。以让操作者及时处理故障。
当两台USPS电源之一本身故障时，该台USPS电源自动发出警告，由另一台USPS电源向负载输出所需全部能量；同时该台故障电源可以热插拔的方式更换。
上述两台USPS电源，每台都能够独立地向负载提供全部所需的能量。
本发明向负载提供了最高三重能源中断保护：
1、USPS电源A(101A)的AC输入中断。
2、USPS电源B(101B)的AC输入中断
3、USPS电源A(101A)和USPS电源B(101B)的AC输入同时中断。
同时提供了两重的本身故障的保护，即：
(1).当系统的USPS电源A本身故障损坏时，由USPS电源B在继续工作，向负载提供能。
(2).当系统的USPS电源B本身发生故障时，则由USPS电源A向负载提供能量。
这两台所述USPS电源在两台都正常工作时，是处于共同分担负载所需的能量转换工作，属于降额条件使用，其故障机率本身已经比全额使用为低。在上述的任何一项故障，在任何一台USPS电源上发生时，它可以被及时地热拔插地更换，以及交流输入和直流(电池)的热拔插，(如交流插头松脱，或者更换电池)均不影响另一台的工作。
图2的两台USPS电源(101A、101B)的一组输出电压(102A、102B)通常是+5V、+12V、+3.3V、+5V备用、-12V以及-5V等等，是作为功率输出的多路电压，以热拔插方式连接到一个输出分配单元(501)，在其中进行隔离后两两并联再分路保护输出给一部或两部负载(502A)和(502B)。
所述两台USPS电源(101A、101B)还输出一“电源好”信号。经过二极管隔离后，再并联后分路输送给两负载上相应端。只要有一台USPS正常，则两台负载都视电源为正常。
所述两台USPS电源的开机信号是来自两台负载的开机指令信号线并联后再经二极管隔离而连接，此处是负逻辑，即低电平开机。
所述两台USPS电源还输出一AC检测信号，分别送到电源监控单元(301)经过“或”处理后，再接RS-232接口(302)，再送去系统(如计算机)的对应接口，以实现软件或网络监控；同时还送去到声光显示单元(303)对其AC状态做现场提示。
所述两台USPS电源的关机动作除受负载送来的开/关机逻辑电平的控制外，还由电源监控单元(301)输出而来的关机信号而实现。这关机信号是由：从系统(如计算机)RS-232(或USB)的或网络相应的接口来的指令，用于实现对本装置的远程软件控制。自电池监控单元(202)的电池“放电终止-关机”的指令，经过“或”的关系复合而成。
所述两台USPS电源还分别经过双向电池线、电池监控单元(202)连接到电池组(201)，当AC正常时，两台电源(101A)(101B)经此回路共同对电池组保护性地充电，当AC停电时，两台电源(101A、101B)经(202)从电池放电取得能量对负载持续供电。
输出分配单元实例如图3所示。输出分配单元(501)包括若干分配电路(通常和电源输出的电压数量对应)；每一个分配电路由两个隔离二极管和至少一个过载保护装置组成，两个隔离二极管的负极相接，两个隔离二极管的正极分别接到所述2台USPS的相同电压输出端，两个隔离二极管的负极相接，至少一个过载保护装置接于两个隔离二极管的负极构成一路或至少两个并联的输出支路；所有分配电路的一个所述输出支路组合构成一组输出，共有一组或至少两组输出，每一组输出接一负载。
例如，当需要配置两组负载时，输出分配单元包括若干分配电路，分配电路的数量同电源输出的电压数量对应；每一个分配电路由两个隔离二极管和两个过载保护装置组成，两个隔离二极管的负极相接，两个隔离二极管的正极分别接到所述2台USPS(101A、101B)的相同电压输出端，两个过载保护装置接于两个隔离二极管的负极构成两个并联的输出支路；所有分配电路的一个所述输出支路分别组合构成第一组输出，所有分配电路的另一个所述输出支路分别组合构成第二组输出，图3中第一组输出接负载502A，第二组输出接负载502B。其中的过载保护装置可以采用自恢复保险丝、过流保护器等等。
这样，在两台所述USPS电源的负载能力可以单独同时支持两台负载的条件下，既达到最大的能源设备利用率，又达到最高的故障保护率，同时也使成本减少。
上述电源监控单元(301)处理的信号包括：
(1)、电源好信号(P/G)是由所述两台USPS电源的P/G输出的信号，经过隔离并联后再输出送到用电设备(如电脑)的P/G输入口。其逻辑是或的关系，即只要所述USPS电源任一台工作正常都会向负载设备送出P/G信号。
同时，由所述的两台USPS电源输送来的P/G信号，还分别送到两路声光指示系统(303)。同时，还经一逻辑单元处理成RS232(或USB)接口条件下的信息，再经RS-232(或者USB)的输出接口达到软件控制运行的系统(如电脑)，以实现软件联网监控。
(2)、所述的USPS电源单元还送出AC OK信号(交流检测)以表示AC输入正常与否。所述AC OK信号，不送到负载。而是经过隔离二极管送到电源监控(301)单元的RS-232(或者USB)逻辑单元，处理成RS-232(或USB)接口条件下的信息，再经RS-232(或者USB)的输出接口达到软件控制运行的系统(如电脑)，以实现软件联网监控。同时，由所述的两台USPS电源输送来的AC OK信号，还分别送到两路声光指示系统(303)。
(3)、一路关机信号，是由来自负载(PC)的RS-232(或USB)接口由软件指令下达的关机信号，同时还由电池监控单元(202)的“放电终止-关机”信号，在本单元作逻辑“或”的处理后分别送到所述两台USPS电源的相连的关机信号线上，去同时关掉这两台USPS电源.
电池监控单元(202)是由电池的充放电线路经过本单元的电压比较器(IC1；IC3)再分别经过两个独立的过流保护装置进而连接到所述两台USPS电源的电池充放电线路。其工作过程式是：
当AC正常时，所述两台USPS电源输出的限流的稳定电压对电池组进行保护性地充电。若电池已充满，则维持浮充状态。
当AC中断时，电池组会经过本单元(202)对连接的两个所述USPS电源放电而提供能量给负载。本单元的监控电路会一直对电池的电压与一预先设置的正常值进行比较。一旦低于警戒值，将会送出一个”电池低”的信号，经过RS232接口电路(302)，向负载(如计算机)发出警告。直到电池进一步放电而达到预先设置的”放电终止”的状态时，会发出一个强制的关机信号，经过电源监控单元(301)作“或”的处理后分别送到所述两台USPS电源的相连的关机信号线上，去同时关掉这两台USPS电源。
图4A为其电源状态声音告警电路。所述USPS A和USPS B的“电源好”信号、正常输出电压(例+12VA，+12VB)分别交叉经过USPS B和USPSA上的拔插式连接开关，再接到两只隔离二极管(D10，D12)。再共接一电阻而分别连接到一三极管(Q4)基极，组成电源状态第一级监测，另，所述USPS A和USPS B的正常输出电压(例+12A，+12B)分别经两只电平二极管(DZ1)(DZ2)连接到两只串联的三极管(Q2，Q3)的基极，而这两只三极管(Q2，Q3)经过一只电阻R7跨接于公共输出的电压+12V com，和地之间。
又，该所述三极管Q2的集电极和所述的R7的连接点P经一个二极管D11连接到三极管Q1的基极，去驱动Q1的集电极所带的蜂鸣器。
其工作过程是：
当所述的USPS A和B均正常时，会由DZ1和DZ2均导通而使所述的串联三极管Q2，Q3均导通，而使P点的电位为低，则蜂鸣器不会工作。当所述USPS A和B，任一发生故障，则会令所述DZ1或DZ2任一截止，则三极管Q2，Q3任一截止，则所述P点不再被拉到低电平。蜂鸣器就开始发声。
此时，所述USPS A或B在本线路前端的检测通道D10或D12的任一输入端的电压为低电平。由于USPS A和B在这里的输入是经过交叉经由对方的开关而连接到Q4的基极，此刻的Q4是由正常电压输出的那只USPS的信号使其截止的，而蜂鸣器持续发声，只有当使另一正常P/G信号断开而使Q4导通致使蜂鸣器停止发声。
图4B为其发光报警电路；所述USPS A的P/G信号经过电阻R10接到三极管Q6的基极，同时经一电阻R9接到LED D4A，再接地。同时经一电阻R18接到三极管Q5的发射极。所述USPS B的P/G信号经过一电阻R13接到三极管Q6的发射极，同时又经一电阻R14接到LED D2A接地。同时又经另一电阻R15接三极管Q5的基极。
本电路的工作过程是：
当所述USPS A和B都正常时，它们P/G信号经过电阻R9和R14使LEDD2A和D4A都显示绿色表示两个电源均正常。同时它们P/G信号的正常电平又令三极管Q5，Q6截止。设当USPS A异常，使其输出为低电平，则其所接的绿色LED，D4A因无电压而熄灭，同时Q6因基极失去了原来从USPSA来的高电平，逐从截止状态变为导通，致使红色报警LED D4B发光。而另一对所述LED D2A和D2B则因USPS B的P/G信号正常电压而继续维持正常的显示状态。
同理，反之在USPS B异常而A正常时，则由另一对LED动作，D2A熄灭，D2B发红光报警。
图4中，所述两台USPS电源的P/G输出的信号，经过隔离并联后再输出送到用电设备(如电脑)的P/G输入口。其逻辑是或的关系，即只要所述USPS电源任一台工作正常都会向负载设备送出P/G信号。
图5A、5B为两USPS电源的AC输入状态监视和显示电路；
图5A中，由所述USPS电源A的交流检测信号经过一电阻R21接到三极管Q9的基极，该三极管Q9的集电极接到所述USPS A的一备用电压源+5VSB；而Q9的发射极再接到一发光三极管LED D5A，再接地。同时，所述USPS A的交流检测信号还经过一电阻接到另一三极管Q10的基极，该三极管Q10的集电极则接到本装置的公共输出电压(+12V)，其发射极则接到另一发光二极管LED D5B，再接地。
其工作过程是：
当所述USPS A的AC输入正常时，其输出的AC检测信号是高电平，在本线路中经过R21使Q9导通致使LED D5A发绿光，以表示USPS的AC输入正常。同时，此高电平经过R23到Q10的基极而令Q10截止。
当所述的USPS A的交流输入不正常而其输出的AC检测信号为低电平，则三极管Q9截止，同时三极管Q10的基极进入偏置而导通，致令其发射极接的LEDD5B导通而发红光，表示本USPS的AC输入不正常。
图5B中，同理于图5A，在所述的USPS B的AC输入状态发生变化时，本电路所带的LED D6A和D6B将分别发绿光和红光，以显示AC正常与否。
图5中，所述USPS电源A和B的交流检测信号分别经过一二极管(D30)和(D31)，然后并联，输出到RS232的接口电平逻辑转换单元(302)，再送去软件监控中心。只要有一路AC是正常，系统都会正常工作；只有两路AC都异常，软件控制才会启动存盘，报警等应急措施。
图6A、6B为其电源监控单元的AC掉电后关机电路图。其作用是当所述USPS A和B在其中一台的AC输入发生故障而另一台AC正常时，为避免AC故障这一台转入后备支持状态而耗电池时，所以必须将这台USPS关闭。
图6A说明如下：来自所述USPS的AC检测信号经过电阻R60接到一三极管Q20的基极。该Q20的集电极经一R61接到另台所述USPS B的AC检测输出。同时其集电极再连接到下一三极管Q15的基极。该Q15的集电极连接到USPS A的关机端。
其工作过程是：
当所述USPS的AC检测信号为正常时的高电平电压时，此电压经R60，使三极管Q20导通，再使Q15的基极为低电平而截止，则Q15的集电极电平不发生变化，所述USPS A正常工作。当所述USPS A的AC输入异常(中断或低于预定值)则其AC检测信号输出为低电平，但此时另一台USPS B的AC检测为高电平则三极管Q20将截止，而三极管Q15将会导通，以其集电极拉低，所述USPS A的关机端电压为低，而使USPS A关机。
图6B同理于图6A.当所述USPS B的AC输入故障，而USPS 正常时，经过此关机逻辑将USPS B关闭。
图6还包括一复合的关机逻辑电路。由RS232软件接口来的关机指令信号和电池监控单元来的“放电终止-关机”信号，在此组成“或”的关系，送去所述的两台电源关机。
图7A为电池监控单元(202)的电池状态显示电路图。所述电池输入端采样信号经过一电阻R35和R36分压点接入IC3(同相三端电压比较器)的输入端，IC3的输出端经一电阻R37接到一正常某一路公共电压输出端(例如+12V)，且IC3的公共端接地，同时其输出端接到一三极管Q17的基极，该三极管Q17的集电极经电阻R38连接到公共输出电压+12V，发射极接LEDD2B；该集电极还连接到另一个三极管Q18的基极，三极管Q18的集电极经过一电阻R39接到公共电压+12V，其发射极则连接一发光二极管LED D2A。
其工作过程是，当所述的电池输入端的电压正常时，R35、R36的分压点电平高于设定值时，使IC3输出呈高电平，致令Q17导通而使LED D2B发绿光，以显示所述“电池电压正常”。同时使Q18截止。
当这电池输入电压因某种原因而下跌，直跌到预设的电平或以下时，R35、R36的分压点电压处于低电平，致使IC3输出呈低电平而使Q17截止，则Q17所连接的“电池正常”LED D2B就不发光，同时Q17的集电极输出一个高电平给Q18的基极，令Q18导通而使LED D2A发红光，表示“电池低”。
同理，图7B的线路与工作逻辑完全相同于图7A，只是其为所述电池的放电深度而设的门限，由R31和R30的分压值来设定，当电池的输入电压低于设定值时，该电路的Q12的集电极就输出一高电平的关机信号，送去电源监控单元(301)复合后去关闭所述的两台电源。
Claims (6)
1、一种双不间断开关电源冗余输出方法，其特征在于包括：
将两台不间断开关电源(USPS)的两组主输出电压分别送到输出分配单元，通过输出分配单元将所述两组主输出电压隔离、并联、分路输出给若干负载；
由电源监控单元对所述两台电源进行全自动监控，接收两者发出的交直流输入和本身工作的状态信息，并通过接口电路传送到控制中心；
由电池监控单元监控所述两台电源通过双向电池线共同向电池组保护性地充电，断电时两台电源同时从电池组放电取得能量而对负载进行持续供电。
2、根据权利要求1所述双不间断开关电源冗余输出方法，其特征在于：
当两台USPS电源均正常工作时，两者处于降额工作状态，共同分担提供负载所需的能量；
当两台USPS电源之一交流断电时，该台USPS电源自动关闭，由另一台USPS电源向负载输出所需全部能量；
当两台USPS电源之一本身故障时，该台USPS电源自动发出警告，由另一台USPS电源向负载输出所需全部能量，同时该台故障电源被热插拔的方式更换；
当两台USPS电源的交流输入均不正常时，自动在线式地转换到两者的备用电池组供电方式，从备用电池组取得能源继续不间断地向负载输出所需全部能量。
3、实现权利要求1所述方法之冗余的不间断开关电源系统，其特征在于包括：
两台不间断开关电源USPS(101A、101B)，用于提供两组主输出电压(102A、102B)；
一输出分配单元(501)，用于将输入的所述两组主输出电压(102A、102B)隔离、并联、分路输出给若干负载；
一电源监控单元(301)，它的两输入端分别接所述两台电源的监控信号(103A、103B)，用于对所述两台电源的全自动监控，接收两者发出的交流断电或本身故障状态信号，并通过接口电路(302)传送到控制中心；以及，
一电池监控单元(202)，它一端接电池组(201)，并分别接所述两台电源的双向电池线(104A、104B)，当AC正常时，所述两台电源经过电池监控单元(202)共同对电池组(201)进行保护性地充电，当AC异常或断电时，所述两台电源同时从电池组放电取得能量而对负载进行持续供电，并对电池的过放电进行保护。
4、根据权利要求3所述冗余的不间断开关电源系统，其特征在于：所述输出分配单元(501)包括若干分配电路；每一个分配电路由两个隔离二极管和至少一个过载保护装置组成，两个隔离二极管的负极相接，至少一个过载保护装置接到两个隔离二极管的负极构成一路或至少两个并联的输出支路；所有分配电路的一个所述输出支路组合构成一组输出，共有一组或至少两组输出。
5、根据权利要求3所述冗余的不间断开关电源系统，其特征在于：所述接口电路(302)是RS232、或USB接口、或者特定的接口。
6、根据权利要求3所述冗余的不间断开关电源系统，其特征在于：两台不间断开关电源的交流输入电压AC1和AC2可以是两路不同相的单相电压。
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