CN1441994A - 逆变装置及其电流限制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种逆变装置，它通过瞬时限制电流来防止元件的破坏，使电动机效率良好且稳定地进行运转。本发明的逆变装置基于根据频率指令值Fref和通过V/f运算7由频率指令值求出的电压指令值而求出的电压指令向量，进行PWM调制并输出电压，该逆变装置具有：电流检测部件12a，检测由电流的大小I1和电流相位θi构成的电流向量；电压限制值运算部件15，在电流的大小超过电流限制值Imax时，求出与超过部分成比例的电压限制值ΔV；电压限制向量运算部件16，基于上述电流相位，将电压限制值转换成电压限制向量ΔVq、ΔVd；电压校正部件17，把电压限制向量加到电压指令向量中；加速度修正部件11，基于电压限制值和电流相位，修正频率的加速度指令。

Description

逆变装置及其电流限制方法

<技术领域>

本发明涉及通过V/f控制来加强对驱动感应电动机等时产生的过电流进行抑制的逆变装置。

<背景技术>

现在，在对感应电动机进行V/f控制时，如果进行急加速或负载发生剧变，电流就会增大。此时，如果在逆变装置的半导体元件中流过超过允许量的电流，元件就会被破坏，因此设定过电流电平，如果流过的电流超过允许量，过电流保护功能就工作，通过关断门电路来防止元件的破坏。

而且，因为由过电流保护功能引起的门电路关断有再起动的必要，所以采用具有用比先前的过电流电平低的电平使之自动恢复的功能的门关断电路或对更低的电平输出0电压模式的电流限制电路，来进行电流限制和半导体的保护。

此外，还采用检测电流的大小来校正频率的方法，进行在加速中电流增加了时停止加速，而在稳定运转中电流增加了时降低频率等仅关注电流大小的控制。

下面，对现有的V/f控制的实际情况，用具体示例来进行说明。

图5是现有的V/f控制的控制框图。图8是表示如图5所示的V/f控制的、在某种动力运转(力行)状态下的电压指令Vq*和电流I及电动机的电压分量的一个示例，在此示出了：以d轴为控制输出的基准相位，对设定在与d轴成90度的位置处的q轴的电压进行控制的控制形态。

在图5所示的V/f控制中，θ表示从某基准位置(例如U相位)看到的d轴的位置。频率指令运算部1输入频率指令Fref，通过加速指令运算部件2根据设定的加速时间，计算加速频率，通过加速频率积分部件3进行积分，若达到由指令值限制部件4设定的频率指令值，就停止加速而生成当前时刻的频率指令。

而且，在减速时，通过指令值限制部件4，当下限值成为频率指令值时，就停止对加速频率积分部件3所积分的速度进行的减速。滑差频率部件5根据转矩部分电流检测值，计算电动机的滑差频率，求出输出频率6。

V/f运算部7通过如图7所示的频率—电压模式，根据输出频率求出电压指令Vq*。通过相位运算部件8根据输出频率进行积分，求出输出相位θ，通过PWM指令运算部9根据电压指令Vq*、Vd*(值为0)和θ，求出3相(UVW相)的电压指令，并转换成PWM模式，输出到门驱动电路10，向电动机IM施加电压。

而且，现有的失速(停止状态)防止措施是：通过电流检测部件12b检测电流的大小I1，通过加速度校正部件11b，当I1的大小变大时，如果是在加速中就减慢加速，如果是在稳定运转中就以负值进行加速(减速)。但是，在进行急加速和负载产生剧变的情况下，不能抑制电流的增加，可能会导致严格的过电流保护而产生失速。

对于这个问题，可以采取构造如图6所示的电流限制电路来抑制电流并防止失速的方法。

如图6所示，在下述通常的结构中加入电流限制电路来防止半导体元件的破坏，这种通常的结构为：通过PWM指令运算部9内的电压切换部件9a，从dq轴电压转换成UVW相的电压，通过三角形波比较器9b对其进行PWM调制，通过倒相电路和接通延迟电路26生成门驱动信号。在图中将过电流电平分成

Ioc＞Ic1b＞Ic1a

的3个等级，首先，通过比较器21比较电流检测值I1和过电流电平Ioc，在I1比Ioc大时，通过锁存电路24进行锁存，通过门关断选择电路27选择门关断信号并输出。其中，锁存电路24以规定的定时通过来自控制器的reset信号被复位。

电流比Ioc小时，通过比较器20比较电流检测值I1和下一个电流限制电平Ic1b，其结果被锁存电路23锁存，通过门关断选择电路27输出门关断信号。将该比较器20和锁存电路23称为CLB电路。

进而，在电流小时，通过比较器19比较电流检测值I1和再下一个电流限制电平Ic1a，如果I1较大，就通过锁存电路22锁存on信号，通过0电压切换电路25针对该信号，输出0电压模式发生器18中生成的0电压模式。将该比较器19和锁存电路22以及0电压模式发生电路18和0电压切换电路25总称为CLA电路。

锁存电路22、23根据某个设定的定时CLK进行自动复位。由此，在电流检测值I1比过电流电平Ioc低并且比电流限制电平Ic1a大的情况下，输出固定模式的门驱动信号，而不是门关断信号，因此可以在限制电流的同时继续运转。但是，不能否认在这种仅根据电流大小的过电流防止措施中，在电动机为再生状态时，如果减小电压则相反地电流就会增加，而且由于在CLA、CLB电路工作期间，不给电动机提供功率，所以效率会有所下降。

其次，有一种不是根据电流的大小来校正的方式，它采用与检测出的电流方向相反的电压限制向量进行电压的校正，对电压限制向量的大小实施PI控制进行速度指令的校正。

但是，在图6的方式的情况下，由于是根据电流大小来校正电压大小以进行电流限制，因此在电动机为再生状态时，如果减小电压，则相反地就会使电流增加，这样就会产生不能根据电动机的状态限制电流，反而电流变大，导致过电流保护功能工作引起门关断而失速。

而且，在使用0电压的方式中，因为电流不再向畸变电动机提供功率，结果导致效率变差。因此产生了这样的问题，即虽然期望得到确实降低电流并且功率效率良好的电流限制方法，但却不能满足该要求。

而在采用与检测出的电流方向相反的电压限制向量进行电压的校正，对电压限制向量实施PI控制来校正速度指令的情况下，通过用与电流方向相反的向量来补偿电压可以减小电流，但因为对速度指令实施仅关注电流大小的PI控制，所以，当电动机为动力运转状态时，校正起作用，但在再生时，则会产生频率校正反而造成不好的影响以致不能限制电流的情况。而且，因为速度的校正方法为PI控制，所以在瞬时加入大负载的情况下，由于进行与其对应的大的频率校正而容易造成不稳定。而且，在不稳定的状态下，积分会累积，并有失控的危险性。此外，由于电压的校正DVq、DVd的方向不仅对电压控制轴的方向，而且对与该轴成直角的方向予以校正，所以会产生难以防止振荡等不良状况的发生而不能确保稳定性的问题。

因而，本发明的目的在于：提供与电动机的状态无关的可以确实地限制电流来防止元件的破坏和失速，使电动机效率良好且稳定地运转的逆变装置及其电流限制方法。

<发明内容>

为实现上述目的，本发明(1)为：在根据频率指令值和通过V/f运算由上述频率指令值求出的电压指令值，求出电压指令向量，基于上述电压指令向量进行PWM调制来输出电压的逆变装置中，具有：电流检测部件，检测由电流大小和电流相位构成的电流向量；电压限制值运算部件，在上述电流大小超过电流限制值时，求出与超过部分成比例的电压限制值；电压限制向量运算部件，基于上述电流相位，将上述电压限制值转换成电压限制向量；电压校正部件，把上述电压限制向量加到上述电压指令向量中；和加速度修正部件，基于上述电压限制值和上述电流相位，修正频率的加速度指令。

而且，本发明(2)的特征为：在超过上述电流限制值时，上述电压限制值运算部件通过一次延迟滤波器对与超过部分成比例的值进行滤波，并将滤波后的结果作为电压限制值输出。

而且，本发明(3)的特征为：上述电压限制向量运算部件将上述电压限制值转换成与上述电流相位方向相反的向量。

而且，本发明(4)的特征为：上述电压限制向量运算部件针对上述电压限制值，将与上述电流相位方向相反的向量中与上述电压指令向量方向成直角的分量设为0，来求出电压限制向量。

而且，本发明(5)为：具有：第2电流限制部件，在电流大小超过了比上述电流限制值大的第2电流限制值时，强制性地输出零电压的PWM模式；和第3电流限制部件，在电流大小超过了比上述第2电流限制值大的第3电流限制值时，关断门电路。

而且，本发明(6)具有：使上述第2电流限制部件和上述第3电流限制部件的功能无效的部件。

而且，本发明(7)为一种逆变装置的电流限制方法，它根据频率指令值和通过V/f运算由上述频率指令值求出的电压指令值，求出电压指令向量，基于上述电压指令向量进行PWM调制并输出电压，在检测出过电流的情况下，进行保护工作，其特征在于：检测由电流的大小I1和电流相位θi构成的电流向量，在上述电流的大小超过电流限制值Imax时，求出与超过部分成比例的电压限制值ΔV，基于上述电流相位θi，将上述电压限制值ΔV转换成电压限制向量ΔVq、ΔVd，并将其加到上述电压指令向量中进行电压校正，瞬时限制电流，基于上述电压限制值和上述电流相位，修正频率的加速度指令以进行功率效率良好的电流限制。

而且，本发明(8)的特征为：上述电压限制值ΔV，在上述电流的大小超过电流限制值Imax时，通过一次延迟滤波器对与超过部分成比例的值进行滤波，除去高次谐波后输出。

而且，本发明(9)的特征为：上述电压限制向量ΔVq、ΔVd是将上述电压限制值ΔV转换成与电流相位θi方向相反的向量Δq＝-ΔVsinθi(或者ΔVq＝-ΔV×Iq/I1)及Δd＝-ΔVcosθi(或者Δd＝-ΔV×Id/I1)而得到的。

而且，本发明(10)的特征为：上述电压限制向量将与上述电流相位θi方向相反的向量Δq、Δd中与上述电压指令向量方向成直角的Δd分量设为0，求出上述电压限制值ΔV。

而且，本发明(11)的特征为：在电流大小超过了比上述电流限制值Imax大的第2电流限制值Ic1a’时，强制性地输出零电压的PWM模式，而在电流大小超过了比上述第2电流限制值Ic1a’大的第3电流限制Ic1b’、Ioc’时，关断门电路进行保护工作。

而且，本发明(12)的特征为：可以使根据上述第2及第3电流限制值的保护功能无效。

根据这种逆变装置及其过电流抑制方法，在图1中，通过求出与超过过电流限制值Imax的超过部分成比例的电压限制值ΔV，将电压限制值转换成基于电流相位的电压限制向量ΔVq、ΔVd，并将其加到电压指令向量中，可以抑制瞬时的过电流，同时通过基于电压限制值ΔV和电流相位θi修正频率的加速度指令，可以既限制电流又避免失速，从而效率良好地进行运转。

此时，对电压限制值ΔV来说，因为是在通过一次延迟滤波器(K/1+Ts)之后求出电压限制向量的，所以能够除去电流中含有的高次谐波分量而进行稳定的补偿。

而且，在将电压限制值ΔV转换成电压限制向量ΔVq、ΔVd时，以与电流方向相反的方向求出电压限制向量进行补偿，因此对电阻负载等用途来说，可以瞬时限制电流。另外，在控制马达等的情况下，将与电压限制向量的电流方向相反的分量中、与电压指令向量成直角的方向分量ΔVd设为0，仅对受V/f控制的电压指令向量的方向进行补偿，从而可以进行稳定的电流限制控制。

作为如上所述的电流限制不正常工作时的保护措施，在电流的大小I1超过了比过电流限制值Imax大的第2过电流限制值Ic1a’期间，强制性地输出零电压的PWM模式进行保护工作，在电流的大小超过了比第2过电流限制Ic1a’值大的第3过电流限制值Ic1b’或Ioc’期间，关断门电路进行保护，因此即使电流的大小I1超过过电流限制值Imax，由于进行第2、第3过电流限制值Ic1a’、Ic1b’、Ioc’3个阶段的保护，而能够确实且安全地抑制过电流。此时的设定电平的大小关系为Ioc’＞Ic1b’＞Ic1a’＞Imax。

从而，在本发明中，因为通过依据过电流限制值Imax进行抑制，基本能够达到抑制效果，所以能够提高现有的过电流电平所设定的CLA、CLB电路的设定电平Ioc、Ic1b、Ic1a的值。

而且，因为采用过电流限制值Imax的控制基本上就足够了，所以能够设置使CLA、CLB电路无效的切换部件29a、b，可使CLA、CLB电路用ON/OFF而进行广泛的控制。

<附图说明>

图1是由本发明的实施方式的逆变装置进行V/f控制的控制框图。

图2是图1所示的逆变装置的控制时的向量图。

图3是在图2中将Vd设为0时的向量图。

图4是图1所示的逆变装置的电流限制电路的框图。

图5是由现有的逆变装置进行V/f控制的控制框图。

图6是图5所示的逆变装置的电流限制电路的框图。

图7是表示现有的频率—电压模式的图。

图8是现有的逆变装置的控制时的向量图。

其中，图中的符号1是频率指令运算部，2是加速指令运算部件，3是加速频率积分部件，4是指令值限制部件，5是滑差频率运算部件，6是输出频率，7是V/f运算部，8是相位运算部件，9是PWM指令运算部，10是门驱动电路，11a是电流限制加速度校正部件，11a’是频率指令切换部件，12a是电流检测部件，13是电流比较部件，14是限制电路，15是电压限制值运算部件，16是电压限制向量运算部件，17a是q轴加法部件，17b是d轴加法部件，18是0电压模式产生电路，19、20、21是比较器，22、23、24是锁存电路，25是0电压切换电路，26是接通延迟电路，27是门关断选择电路，28是门关断选择电路，29是无效部件。

<具体实施方式>

以下，参照图说明本发明的实施方式，。

图1是由本发明的实施方式的逆变装置进行V/f控制的控制框图。

图2是图1所示的逆变装置的控制时的向量图。

图3是在图2中将Vd设为0时的向量图。

图4是图1所示的逆变装置的电流限制电路的框图。

在图1中，11a是修正加速度的电流限制加速度校正部件，11a’是切换频率指令和电流限制时的输出频率的频率指令切换部件，12a是输出电流的大小I1和电流相位θi的电流检测部件，13是比较检测电流I1和过电流限制值Imax的电流比较部件，14是输出比较结果的限制(limit)电路，15是运算电压限制值ΔV的电压限制值运算部件，16是求出电压限制向量ΔVq、ΔVd的电压限制向量运算部件，17a、17b是电压限制向量的加法部件。

其中，在其他的与图5相同的构成中采用相同符号，并省略重复说明。

在图4中，29a、29b是电流限制电路的无效部件，Ic1a’是第2电流限制值，Ic1b’、Ioc’是第3电流限制值。

其中，在其他的与图6相同的构成中采用相同符号，并省略重复说明。

接下来，说明有关操作。

首先，通过电流检测部件12a求出电流的大小I1和相对于基准相位θ的电流相位θi，通过电流比较部件13从所设定的电流限制值Imax中减去电流的大小I1，在减法结果为负时，通过限制电路14设为0，在电压限制运算部件15中实施增益及滤波处理(K/1+Ts)，求出电压限制值ΔV。在电压限制向量运算部件16中，用下式：

ΔVq＝-ΔVsinθi

ΔVd＝-ΔVcosθi

根据求出的电压限制值ΔV和电流相位θi，求出dq轴的电压限制值ΔVq、ΔVd。

其中，采用电流检测值Id、Iq，按照下式

ΔVq＝-ΔV×Iq/I1

ΔVd＝-ΔV×Id/I1

进行运算也可以得到同样的结果。

接着，通过加法部件17a、17b将运算出的ΔVq、ΔVd加到电压指令Vq*、Vd*中后，求出输出电压指令Vq、Vd，通过PWM指令运算部9求出3相(UVM相)的电压指令，转换成PWM模式，输出到门驱动电路10，向电动机IM施加电压。由此，可以瞬时限制电流。

其中的电压限制向量ΔV、电压指令向量V^*、电流向量I的关系在图2中示出，(a)表示动力运转状态，(b)表示再生状态。

在图2(a)中示出在q轴上的电压指令V^*加上与电流方向相反的电压限制向量ΔV而减小施加电压V，以限制电流向量I的状态。

在图2(b)所示的再生状态中，示出相反在相同方向加上ΔV而增大施加电压V，以限制电流向量I的状态。

如此，可以与电动机的状态无关地瞬时限制电流。

而且，通过V/f控制来控制马达等时，有时会随着马达和负载的状态而产生不稳定。这种状态时，如图2所示，如果分别对dq轴进行电压校正，q轴方向是可控制的，而d轴方向由于不进行控制而不能避免不稳定状态。

从而，如图3所示，通过进行将ΔVd设为0，在电压指令V^*中仅加上ΔVq的控制，就可以避免不稳定状态。

图3(a)表示动力运转状态，图3(b)表示再生状态，在图3(a)中给电压指令V^*加上方向相反的电压限制向量ΔVq而减小电压V，限制电流I。图3(b)中相反地增大电压V，限制电流I。实际上，在电流变大的情况下，如果控制正常并且具有一定程度的转数，就会在q轴方向增加，因此电流的抑制能力仅对ΔVq进行校正就足够了。

虽然通过以上的操作可以瞬时限制电流，但是在稳定地限制电流并且考虑电动机的效率的情况下，有必要修正频率。为了与此对应，图1所示的电流限制加速度部件11a用电流相位θi来判断电动机的状态是动力运转还是再生，以设定加速度的修正方向，并用电压限制值ΔV来修正加速度的大小。用设定值或电压限制值ΔV的负载方向分量计算值等来计算修正量。

而且，电流限制加速度校正部件11a根据负载的状态，输出电流限制时的频率指令使在再生时最大值为最高频率、在动力运转时最小值为0，并且通过频率指令切换部件11a’切换频率指令和电流限制时的输出频率。

其中，判断动力运转/再生有各种方法，如仅参照q轴电流的方法，根据无效功率进行运算的方法等，在此不再赘述。

根据旋转方向和负载方向，如下进行加速度校正。

a)以正旋转动力运转时，在正侧校正。

b)以正旋转再生时，在负侧校正。

c)以反旋转动力运转时，在负侧校正。

d)以正旋转再生时，在正侧校正。

加速度校正的最简单的方法为：将加减速度设定值赋给加速度，使得：如果是在加速中，则在电压限制值ΔV不是0的情况下，如果是动力运转负载，就停止加速；如果是在稳定运转中，则在ΔV不是0的情况下，如果是在动力运转中就减速；如果是在再生中就加速，这些方法都可以充分地抑制过电流。

而且，作为用于产生了不可预期的电流变动情况下的保护措施，采用图4所示的电流限制电路。在图4的电路中，在检测电流I1大于比电流限制值Imax大的过电流电平Ioc’情况下，通过门关断电路27选择并输出门关断信号。

当电流I1比过电流电平Ioc’小时，进一步和电流限制电平Ic1b’比较，如果电流I1大，同样输出门关断信号。

当电流I1比电流限制电平Ic1b’小而比电流限制电平Ic1a’大时，输出0电压模式。

这时各电平的大小关系如下。

Ioc’＞Ic1b’＞Ic1a’＞Imax

并且，通过图1所示的电压限制向量ΔVq、ΔVd及电流限制加速度校正等的控制，可以在相当多的部分进行限制，因此各过电流电平Ioc’、Ic1b’、Ic1a’可以将在图6的现有示例中所示的对应的各过电流电平Ioc、Ic1b、Ic1a设定为较高的值(Ioc’＞Ioc、Ic1b’＞Ic1b、Ic1a’＞Ic1a)，以此来防止失速。

而且，根据不同的用途，也有通过图1的控制就足够了的情况，因此可以通过无效部件29a、29b切断图4的电流限制电路使其无效，并去掉0电压切换电路25和门关断选择电路27的切换部。

其中，该无效部件29可以采用以所希望的方式(也包括自动/手动)0N/0FF电流限制电路的任何方式。

这样，根据本实施方式，检测电流的相位θi和电流的大小I1，比较电流的大小I1和电流限制值Imax，求出电压限制值ΔV，并将其转换成与电流相位相反的方向，求出电压限制向量ΔVq、ΔVd，并将其加到电压指令中，使瞬时的电流限制成为可能，同时通过用电压限制值ΔV和电流相位θi来修正加速度，可以防止失速而进行效率良好地运转。

<工业实用性>

如以上所说明的，根据本发明，通过在电压指令中加上与超过电流限制值部分成比例的、与电流向量方向相反的或者相反方向内的电压指令轴上的分量的电压限制向量，可以瞬时限制电流，而且，通过采用3种电平的电流限制方法，可以确实地防止由电流引起的元件的破坏和失速。

而且，通过根据电压限制值和电流相位来校正加速度，可以稳定地限制电流，效率良好地运转感应电动机等。

Claims (12)

1.一种逆变装置，它根据频率指令值和通过V/f运算由上述频率指令值求出的电压指令值，求出电压指令向量，基于上述电压指令向量进行PWM调制并输出电压，其特征在于：

具有：电流检测部件，检测由电流的大小和电流相位构成的电流向量；电压限制值运算部件，在上述电流的大小超过电流限制值时，求出与超过部分成比例的电压限制值；电压限制向量运算部件，基于上述电流相位，将上述电压限制值转换成电压限制向量；电压校正部件，将上述电压限制向量加到上述电压指令向量中；加速度修正部件，基于上述电压限制值与上述电流相位，修正频率的加速度指令。

2.如权利要求1所述的逆变装置，其特征在于：在超过上述电流限制值时，上述电压限制值运算部件通过一次延迟滤波器对与超过部分成比例的值进行滤波，并将滤波后的结果作为电压限制值输出。

3.如权利要求1或2所述的逆变装置，其特征在于：上述电压限制向量运算部件将上述电压限制值转换成与上述电流相位方向相反的向量。

4.如权利要求3所述的逆变装置，其特征在于：上述电压限制向量运算部件针对上述电压限制值，将与上述电流相位方向相反的向量中与上述电压指令向量方向成直角的分量设为0，来求出电压限制向量。

5.如权利要求1或2所述的逆变装置，其特征在于：

具有：第2电流限制部件，在电流的大小超过了比上述电流限制值大的第2电流限制值的期间，强制性地输出零电压的PWM模式；第3电流限制部件，在电流大小超过了比上述第2电流限制值大的第3电流限制值的期间，关断门电路。

6.如权利要求5所述的逆变装置，其特征在于：具有使上述第2电流限制部件和上述第3电流限制部件的功能无效的部件。

7.一种逆变装置的电流限制方法，它根据频率指令值和通过V/f运算由上述频率指令值求出的电压指令值，求出电压指令向量，基于上述电压指令向量进行PWM调制并输出电压，在检测出过电流的情况下，进行保护工作，其特征在于：

检测由电流的大小I1和电流相位θi构成的电流向量，当上述电流大小超过电流限制值Imax时，求出与超过部分成比例的电压限制值ΔV，基于上述电流相位θi，将上述电压限制值ΔV转换成电压限制向量ΔVq、ΔVd，并将其加到上述电压指令向量中进行电压校正，瞬时限制电流，基于上述电压限制值和上述电流相位修正频率的加速度指令，进行功率效率良好的电流限制。

8.如权利要求7所述的逆变装置的电流限制方法，其特征在于：在上述电流的大小超过电流限制值Imax时，上述电压限制值ΔV是通过一次延迟滤波器对与超过部分成比例的值进行滤波，除去高次谐波后输出的。

9.如权利要求7或8所述的逆变装置的电流限制方法，其特征在于：上述电压限制向量ΔVq、ΔVd是通过将上述电压限制值ΔV转换成与电流相位θi方向相反的向量ΔVq＝-ΔVsinθi(或者ΔVq＝-ΔV×Iq/I1)及ΔVd＝-ΔVcosθi(或者Δd＝-ΔV×Id/I1)而得到的。

10.如权利要求9所述的逆变装置的电流限制方法，其特征在于：上述电压限制向量是针对上述电压限制值ΔV，将与上述电流相位θi方向相反的向量Δq、Δd中与上述电压指令向量方向成直角的Δd分量设为0，来求出的。

11.如权利要求7或8所述的逆变装置的电流限制方法，其特征在于：在电流的大小超过了比上述电流限制Imax值大的第2电流限制值Ic1a’期间，强制性地输出零电压的PWM模式，而在电流的大小超过了比上述第2电流限制Ic1a’值大的第3电流限制Ic1b’、Ioc’期间，关断门电路进行保护工作。

12.如权利要求11所述的逆变装置的电流限制方法，其特征在于：可以使根据上述第2及第3电流限制值的保护功能无效。

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