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Stromrichteranordnung mit zwei Schaltungsgruppen mit steuerbaren und nichtsteuerbaren Ventilen
Bei Stromrichteranlagen mit gittergesteuerten Gasentladungs- oder steuerbaren Halbleiterventilen hat es sich gelegentlich als vorteilhaft erwiesen, nicht sämtliche Ventile des Stromrichters, sondern nur einen Teil der Ventile, beispielsweise nur die Hälfte ihrer Gesamtzahl, als steuerbare Ventile vorzusehen. Bei einem derartigen Gleichrichter kann man, beispielsweise durch Anwendung einer Reihenschaltung eines steuerbaren und eines nicht steuerbaren Gleichrichters, die Mehrkosten der Hälfte der steuerbaren Ventile gegenüber ungesteuerten Ventilen einsparen.
Da bekanntlich voll ausgesteuerte Gleichrichter und damit auch nicht gesteuerte Gleichrichter einen geringeren Blindleistungsverbrauch auf der Primärseite bewirken, ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Blindleistungsverhältnisse verbessert und damit verbunden, die Kupferverluste der Transformatoren herabgesetzt werden. Ein möglicher Nachteil einer solchen Anordnung kann darin bestehen, dass der Gleichrichter bei Teilaussteuerung eine geringere Pulszahl als bei durchweg steuerbaren Ventilen aufweist, wodurch eine etwas höhere Gleichspannungswelligkeit auftreten kann.
Eine besondere Form einer Reihenschaltung zweier Gleichrichter stellt die Dreiphasen-Brückenschaltung dar, die im normalen Betrieb eine Reihenschaltung zweier Dreiphasengleichrichter mit um 1800 el versetzter Zündfolge bildet. Auch bei dieser Schaltung kann man, wie bekannt ist, die Ventile des einen Dreiphasensystems steuerbar einrichten, während die des anderen Systems nicht steuerbare Ventile sind.
Mit derartigen nur zur Hälfte der gesamten Ventilzweige gesteuerten Anlagen ist ein Gleichrichterbetrieb im Bereich der maximalen Gleichspannung bei Vollaussteuerung bis herab zu Gleichspannungen nahe dem Werte Null möglich, wobei die Zündverzögerung der Ventile des gesteuerten Dreiphasensystems Winkelbeträge bis zu 1800 el vermindert um den sogenanntenRespektabstand eines Wechselrichterbetriebes erreicht. Ein Betrieb des Gleichrichters als Wechselrichter ist indessen nicht möglich. Infolge der Notwendigkeit der Einhaltung dieses Respektabstandes des Aussteuerwinkels ist auch keine Herabsteuerung der resultierenden Gleichspannung der beiden Dreiphasensysteme bis auf den Spannungswert Null möglich.
Die Erfindung ermöglicht die Ausnutzung der Vorteile einer derartigen, aus zwei Schaltungsgruppen gebildeten Stromrichterschaltung, ohne ihre Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichteranordnung mit zwei Schaltungsgruppen mit steuerbaren und nicht steuerbaren Ventilen, die als selbständige Teilstromrichter mit gleicher maximaler Teilgleichspannung wirksam sein können und besteht im Wesen darin, dass Schaltmittel vorgesehen sind, die dieSchaltungsgruppen derart untereinander undmitdem gleichstromseitigenBelastungskreis verbinden, dass bei Gleichspannungen des Belastungskreises unterhalb der maximalen Teilgleichspannung die Schaltungsgruppe mit den steuerbaren Ventilen allein auf den Belastungskreis einwirkt und bei Gleichspannungen des Belastungskreises oberhalb der maximalenTeilgleichspannung beide Schaltungsgruppen inReihenschaltung auf den Belastungskreis einwirken,
wobei während der bei maximaler Teilgleichspannung stattfindenden Umschaltung ein vorübergehender Parallelbetrieb beider Schaltungsgruppen vorgenommen wird.
Zwei Schaltungsbeispiele von Stromrichtern nach der Erfindung sind in Fig. 1 und 2 wiedergegeben.
Sie beziehen sich auf Stromrichter mit Halbleiterventilen, die beispielsweise als Siliziumelemente ausgeführt sein können. Die nicht steuerbaren Ventile sind Halbleiterdioden, die steuerbaren Ventile sind Vierschichten-Halbleitertrioden, die bekanntlich ähnliche Steuereigenschaften wie die GasentladungsThyratrons besitzen. Ihr Stromfluss kann nur durch einen Strom-Nulldurchgang unterbrochen werden.
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Die in Fig. 1 wiedergegebene Schaltung stellt einen Stromrichter zum Antrieb einer Gleichstrom- maschine, beispielsweise eines Fahrmotors einer Stromrichterlokomotive dar. Der Stromrichter ist ge- bildet durch einen gemeinsamen Einphasen-Transformator und zwei Schaltungsgruppen, welche zwei zweipulsige Teilstromrichter ergeben. Der Transformator hat eine Primärwicklung la und zweigetrennte
Sekundärwicklungen lb und lc, die eine gleiche Windungszahl und eine Mittelanzapfung besitzen. Dement- sprechend sind zwei Teilstromrichter in der Mittelpunktschaltung gebildet. Von diesen besitzt der eine zwei Halbleiterdioden 2 und 4, während der andere zwei mittels einer nichtwiedergegebenenSteuerein- richtung gesteuerte Halbleitertrioden 3 und 5 enthält.
Für die Aufrechterhaltung eines lückenlosen Gleich- stromflusses und für eine Glättung der Gleichströme sind zwei Gleichstromdrosseln 6 und 7 vorgesehen. Die als Belastung dienende Gleichstrommaschine ist mit 11 bezeichnet.
Zur Herstellung der Betriebsweise der Stromrichteranlage gemäss der Erfindung sind drei Schalter 8, 9 und 10 angeordnet, die in der nachfolgend beschriebenen Weise betätigt werden.
Bei Betrieb der Gleichstrommaschine mit Spannungen, die kleiner als die maximale Teilgleich- spannung der Teilstromrichter oder kleiner als die halbe maximale Gleichspannung der in Reihe ge- schalteten Teilstromrichter sind, ist der Schalter 9 geschlossen, während die Schalter 8 und 10 geöffnet sind. Damit ist der steuerbare Teilstromrichter mit den Ventilen 3, 5 allein auf die Gleichstrommaschine
11 geschaltet. MitHilfe der steuerbarenHalbleitertrioden kann die Spannung an der Gleichstrommaschine stetig zwischen etwa-90% und +100% der maximalen Teilgleichspannung oder zwischen etwa-45% und + 50% der Maximalspannung der Anlage geändert werden. Es ist also Wechselrichter-und Gleichrichterbetrieb möglich.
Ist der Teilstromrichter mit den Ventilen 3 und 5 voll ausgesteuert, so stimmt dessen Gleichspannung überein mit der Gleichspannung des Teilstromrichters mit den ungesteuerten Ventilen 2 und 4. In diesem Betriebszustand kann infolgedessen der Schalter 8 geschlossen werden, womit beide Teilstromrichter parallel arbeiten.
Zur weiteren Erhöhung der Spannung an der Gleichstrommaschine wird nun vorerst der steuerbare Teilstromrichter mit den Ventilen 3, 5 auf Gleichspannung Null herabgesteuert, womit dieser Teilstromrichter vorübergehend aus der Speisung der Gleichstrommaschine ausscheidet und der ungesteuerte Teilstromrichter die Stromlieferung allein übernimmt. Alsdann wird der Schalter 9 stromlos geöffnet, und der Schalter 10 geschlossen. In diesem Zwischenzustand trägt der ungesteuerte Teilstromrichter nach wie vor die Stromlieferung, während die Ventile 3, 5 des gesteuerten Teilstromrichters im Nullspannungsbetrieb auf die Gleichstromdrossel 7 arbeiten.
Wird nun der Schalter 8 geöffnet, so sind beide Teilstromrichter in Reihe geschaltet. Durch Änderung der Teilaussteuerung des steuerbaren Teilstromrichters schaltet sich dieser in die Gleichspannungsbildung ein und es können jetzt alle Gleichspannungswerte zwischen der maximalen Teilgleichspannung und der doppelten maximalen Teilgleichspannung oder zwischen 50% und 100% der Maximalspannung der Anlage eingestellt werden.
Die im Zwischenzustand vorgenommenen Umschaltungen können in kurzer Aufeinanderfolge, beispielsweise durch eine Nockenscheibenbetätigung der Schalter durchgeführt werden.
Soll nun wieder eine niedrigere Gleichspannung hergestellt werden, so sind die beschriebenen Schaltschritte in umgekehrter Folge durchzuführen. Auch in diesem Falle findet die Einspeisung des Gleichstromes in die Gleichstrommaschine keine Unterbrechung.
Bei vielen Anwendungen von Stromrichtern, insbesondere für Stromrichterlokomotiven mit mehreren Antriebsmotoren, lässt sich die Belastung des Stromrichters in zwei gleiche Verbrauchergruppen aufteilen.
Ein dementsprechendes Beispiel einer Stromrichterschaltung mit zwei Antriebsmotoren mit einer Betriebsweise gemäss einer Weiterentwicklung der Erfindung zeigt Fig. 2. Die Schaltung ermöglicht sowohl eine Herabsetzung der Verluste als auch der aufzubringenden Steuerblindleistung.
In Fig. 2 ist wieder la eine gemeinsame Primärwicklung eines Einphasen-Transformators, der wieder zwei Sekundärwicklungen 1b und 1c besitzt. An jede dieser Sekundärwicklungen sind ein aus vier Ventilen bestehender Satz steuerbarer und ein aus vier Ventilen bestehender Satz nicht steuerbarer Ventile in Brückenschaltung angeschlossen. In Anlehnung an die Bezeichnungsweise in Fig. 1 tragen die in Fig. 2 anoden-
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Kommutierungsgruppen der Ventile sind durch die beigefügten Buchstaben a, b, c, d unterschieden. Den vier so gebildeten Teilstromrichtern sind die Gleichstromdrosseln 6a, 7a und 6b, 7b zugeordnet.
Über die Schalter 8,9, 10 können die vier Teilstromrichter auf die nachfolgend beschriebene Weise mit den die Belastung bildenden zwei Gleichstrommotoren lla und llb zusammenwirken.
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Bei Motorspannungen unterhalb von 50% der bei Reihenschaltung zweier Teilstromrichter möglichen maximalen Anlagengleichspannung ist der Schalter 9 geschlossen, während die Schalter 8 und 10 ge- öffnet sind. Die steuerbaren Ventile 2a, 3b, 4a, 5b speisen die Gleichstrommaschine l1b, die ebenfalls steuerbaren Ventile 2b, 3a, 4b, 5a die Gleichstrommaschine l1a. Es ist Wechselrichter- und Gleichrichterbetrieb im Spannungsbereich je Gleichstrommaschine von etwa-45% bis + 50% der maximalen Anlagengleichspannung möglich.
Hierbei kann zur Einsparung von Blindleistung eine an sich bekannte, der Vorschrift nach Fig. 3 zu entnehmende, gewöhnlich als unsymmetrische Steuerung bezeichnete Steuermethode angewendet werden.
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ouUst aufgetragen, die eine bekannte Funktion der Gleichspannung ist, wobei der maximale negative Wert der Steuergrösse der maximalen Wechselrichteraussteuerung und der maximale positive Wert dieser Grösse der maximalen Gleichrichteraussteuerung entspricht. Bei diesem Steuerverfahren reduziert sich die Steuer- blindleistung gegenüber der bei symmetrischer Steuerung auftretenden Blindleistung auf den halben Wert.
Zum Unterschied von der Anordnung nach Fig. 1 werden überdies bei der Anordnung in Fig. 2 auch die
Sekundärwicklungen des Transformators teilweise stromlos, was eine Herabsetzung der mittleren Verluste nach sich zieht.
Sind alle steuerbaren Ventile voll ausgesteuert, so beträgt die Gleichspannung an den Gleichstrom- motoren 50%. der maximalen Anlagenspannung. Die von den Ventilen 2a, 3b, 4a, 5b gelieferte Gleich- spannung stimmt jetzt mit der von den ungesteuerten Ventilen 2c, 3c, 4c, 5c gelieferten Spannung über- ein, und Entsprechendes gilt für die Ventile 2b, 3a, 4b, 5a und 2d, 3d, 4d, 5d. Wird nunmehr der Schalter
8 geschlossen, so arbeiten die Ventile 2c, 3c, 4c, 5c parallel zu 2a, 3b, 4a, 5b und die Ventile 2d, 3d, 4d, 5d parallel zu 2b, 3a, 4b, 5a.
Als nächstes werden die steuerbaren Ventile so gesteuert, dass der Mittelwert der von ihnen gelieferten
Gleichspannung den Wert Null annimmt. Hienach kann der Schalter 9 geöffnet und der Schalter 10 geschlossen werden. Die steuerbaren Ventile arbeiten dann im Nullspannungsbetrieb auf die Gleichstromdrosseln 7 a und 7b.
Wird daraufhin der Schalter 8 geöffnet, so sind die Ventile 2a, 3b, 4a, 5b mit den Ventilen 2c, 3c, 4c, 5c in Reihe geschaltet. Das gleiche gilt für die Ventile 2b, 3a, 4b, 5a und 2d, 3d, 4d, 5d. Durch Änderung des Zündwinkels der steuerbaren Ventile kann nunmehr die Gesamtspannung der Anlage bis zu ihrem Maximalwert an beiden Gleichstrommaschinen erhöht werden.
Da die Ventile 2b, 4b und 3b, 5b gleichartig gesteuert werden, kann in der durch den Schalter 10 gebildeten Leitungsmasche, die die beiden Transformatorwicklungen 1b und lc einschliesst, kein interner Kreisstrom fliessen.
Die Schaltmittel 8,9, 10 sind, wie in Fig. 2 zu entnehmen ist, so ausgebildet, dass die vier Teilstromrichter paarweise in der beschriebenen Weise umgeschaltet werden.
Soll die Gleichspannung an den Gleichstrommaschinen wieder unter den halben Gesamtwert der Anlagenspannung abgesenkt werden, so sind alle Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge durchzuführen.
Der Erfindungsgedanke ist nicht auf zweipulsige Stromrichter beschränkt, sondern sinngemäss bei allen bekannten Schaltungen anwendbar.
Ferner ist der Erfindungsgedanke nicht auf die Aufteilung der Stromrichteranlage in zwei Schaltungsgruppen mit steuerbaren und nicht steuerbaren Ventilen beschränkt, sondern sinngemäss auch für Stromrichterschaltungen anwendbar, welche in mehrere Schaltungsgruppen aufgeteilt sind, von denen ein Teil mit steuerbaren und ein anderer Teil mit nicht steuerbaren Ventilen ausgeführt ist und wobei diese Gruppen durch zweckdienliche Schaltmittel einzeln oder in Reihenschaltung betrieben werden können.
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Converter arrangement with two circuit groups with controllable and non-controllable valves
In the case of power converter systems with grid-controlled gas discharge or controllable semiconductor valves, it has occasionally proven advantageous not to provide all the valves of the converter, but only some of the valves, for example only half of their total number, as controllable valves. With such a rectifier, for example by using a series connection of a controllable and a non-controllable rectifier, the additional costs of half of the controllable valves can be saved compared to uncontrolled valves.
Since, as is well known, fully controlled rectifiers and thus also uncontrolled rectifiers cause a lower reactive power consumption on the primary side, there is the further advantage that the reactive power ratios are improved and, associated with this, the copper losses of the transformers are reduced. A possible disadvantage of such an arrangement can be that the rectifier has a lower number of pulses when partially modulated than in the case of valves that can be controlled throughout, which means that a somewhat higher DC voltage ripple can occur.
A special form of series connection of two rectifiers is the three-phase bridge circuit, which in normal operation forms a series connection of two three-phase rectifiers with an ignition sequence offset by 1800 el. In this circuit, too, as is known, the valves of one three-phase system can be set up in a controllable manner, while those of the other system are non-controllable valves.
With such systems controlled only half of the total valve branches, rectifier operation is possible in the range of the maximum DC voltage at full level down to DC voltages close to zero, with the ignition delay of the valves of the controlled three-phase system reaching angular amounts of up to 1800 el reduced by the so-called respect distance of inverter operation . However, it is not possible to operate the rectifier as an inverter. As a result of the need to maintain this respectful distance of the control angle, it is also not possible to reduce the resulting direct voltage of the two three-phase systems down to the voltage value zero.
The invention enables the advantages of such a converter circuit formed from two circuit groups to be exploited without having to accept its disadvantages.
The invention relates to a converter arrangement with two circuit groups with controllable and non-controllable valves, which can be effective as independent partial converters with the same maximum partial direct voltage and essentially consists in the fact that switching means are provided which connect the circuit groups to one another and to the direct-current-side load circuit that with direct voltages of the load circuit below the maximum partial DC voltage, the circuit group with the controllable valves acts solely on the load circuit and, in the case of DC voltages in the load circuit above the maximum partial DC voltage, both circuit groups act in series on the load circuit,
During the switchover taking place at maximum partial DC voltage, both circuit groups are temporarily operated in parallel.
Two circuit examples of converters according to the invention are shown in FIGS. 1 and 2.
They relate to converters with semiconductor valves, which can be implemented as silicon elements, for example. The non-controllable valves are semiconductor diodes, the controllable valves are four-layer semiconductor triodes, which are known to have similar control properties as the gas discharge thyratron. Your current flow can only be interrupted by a current zero crossing.
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The circuit shown in FIG. 1 represents a converter for driving a DC machine, for example a traction motor of a converter locomotive. The converter is formed by a common single-phase transformer and two circuit groups which result in two two-pulse partial converters. The transformer has a primary winding la and two separate ones
Secondary windings lb and lc, which have the same number of turns and a center tap. Accordingly, two partial converters are formed in the midpoint circuit. One of these has two semiconductor diodes 2 and 4, while the other contains two semiconductor diodes 3 and 5 controlled by means of a control device that is not reproduced.
Two direct current chokes 6 and 7 are provided to maintain a continuous direct current flow and to smooth the direct currents. The DC machine serving as a load is denoted by 11.
To produce the mode of operation of the converter system according to the invention, three switches 8, 9 and 10 are arranged, which are operated in the manner described below.
When the DC machine is operated with voltages that are less than the maximum DC component voltage of the converters or less than half the maximum DC voltage of the converters connected in series, the switch 9 is closed while the switches 8 and 10 are open. The controllable partial converter with the valves 3, 5 is therefore only on the DC machine
11 switched. With the help of the controllable semiconductor triodes, the voltage on the DC machine can be changed continuously between about -90% and + 100% of the maximum partial DC voltage or between about -45% and + 50% of the maximum voltage of the system. Inverter and rectifier operation is therefore possible.
If the partial converter with valves 3 and 5 is fully controlled, its DC voltage corresponds to the DC voltage of the partial converter with uncontrolled valves 2 and 4. In this operating state, switch 8 can consequently be closed, so that both partial converters work in parallel.
To further increase the voltage on the DC machine, the controllable partial converter with valves 3, 5 is now reduced to zero DC voltage, so that this partial converter is temporarily withdrawn from the supply of the DC machine and the uncontrolled partial converter takes over the power supply alone. The switch 9 is then opened without current and the switch 10 is closed. In this intermediate state, the uncontrolled partial converter continues to supply the current, while the valves 3, 5 of the controlled partial converter operate on the DC choke 7 in zero-voltage operation.
If the switch 8 is now opened, both partial converters are connected in series. By changing the partial modulation of the controllable partial converter, it switches on to the DC voltage generation and all DC voltage values between the maximum partial DC voltage and twice the maximum partial DC voltage or between 50% and 100% of the maximum voltage of the system can now be set.
The switchovers carried out in the intermediate state can be carried out in quick succession, for example by actuating the switches with a cam disk.
If a lower DC voltage is to be produced again, the switching steps described must be carried out in reverse order. In this case, too, the direct current feed into the direct current machine is not interrupted.
In many applications of power converters, in particular for power converter locomotives with several drive motors, the load on the power converter can be divided into two equal consumer groups.
A corresponding example of a converter circuit with two drive motors with a mode of operation in accordance with a further development of the invention is shown in FIG. 2. The circuit enables both a reduction in the losses and the reactive control power to be generated.
In Fig. 2, la is again a common primary winding of a single-phase transformer which again has two secondary windings 1b and 1c. A set of controllable valves consisting of four valves and a set of non-controllable valves consisting of four valves are connected to each of these secondary windings in a bridge circuit. Based on the notation in Fig. 1, the anode in Fig. 2
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Commutation groups of the valves are distinguished by the letters a, b, c, d attached. The direct current chokes 6a, 7a and 6b, 7b are assigned to the four partial converters formed in this way.
Via the switches 8, 9, 10, the four partial converters can interact in the manner described below with the two direct current motors 11a and 11b forming the load.
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At motor voltages below 50% of the maximum DC system voltage possible when two partial converters are connected in series, switch 9 is closed, while switches 8 and 10 are open. The controllable valves 2a, 3b, 4a, 5b feed the direct current machine l1b, the likewise controllable valves 2b, 3a, 4b, 5a the direct current machine l1a. Inverter and rectifier operation is possible in the voltage range per DC machine from approximately -45% to + 50% of the maximum system DC voltage.
In order to save reactive power, a control method known per se, which can be found in the specification according to FIG. 3 and is usually referred to as asymmetrical control, can be used.
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ouUst plotted, which is a known function of the direct voltage, the maximum negative value of the control variable corresponding to the maximum inverter modulation and the maximum positive value of this variable corresponding to the maximum rectifier modulation. With this control method, the control reactive power is reduced to half the value compared to the reactive power that occurs with symmetrical control.
In contrast to the arrangement according to FIG. 1, the arrangement in FIG
Secondary windings of the transformer are partially de-energized, which leads to a reduction in the average losses.
If all controllable valves are fully activated, the DC voltage on the DC motors is 50%. the maximum system voltage. The DC voltage supplied by the valves 2a, 3b, 4a, 5b now agrees with the voltage supplied by the uncontrolled valves 2c, 3c, 4c, 5c, and the same applies to the valves 2b, 3a, 4b, 5a and 2d, 3d, 4d, 5d. Now becomes the switch
8 closed, the valves 2c, 3c, 4c, 5c work in parallel with 2a, 3b, 4a, 5b and the valves 2d, 3d, 4d, 5d work in parallel with 2b, 3a, 4b, 5a.
Next, the controllable valves are controlled so that the mean value of the one they deliver
DC voltage assumes the value zero. The switch 9 can then be opened and the switch 10 closed. The controllable valves then work in zero voltage operation on the direct current chokes 7 a and 7 b.
If the switch 8 is then opened, the valves 2a, 3b, 4a, 5b are connected in series with the valves 2c, 3c, 4c, 5c. The same applies to the valves 2b, 3a, 4b, 5a and 2d, 3d, 4d, 5d. By changing the ignition angle of the controllable valves, the total voltage of the system can now be increased up to its maximum value on both DC machines.
Since the valves 2b, 4b and 3b, 5b are controlled in the same way, no internal circulating current can flow in the line mesh formed by the switch 10, which includes the two transformer windings 1b and 1c.
As can be seen in FIG. 2, the switching means 8, 9, 10 are designed in such a way that the four partial converters are switched in pairs in the manner described.
If the DC voltage on the DC machines is to be reduced again to below half the total value of the system voltage, all operations must be carried out in reverse order.
The concept of the invention is not limited to two-pulse converters, but can be used analogously in all known circuits.
Furthermore, the concept of the invention is not limited to the division of the converter system into two circuit groups with controllable and non-controllable valves, but can also be used analogously for converter circuits which are divided into several circuit groups, one part with controllable and another part with non-controllable valves and these groups can be operated individually or in series by suitable switching means.
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