CN101059552A - 查找电阻短路的方法、系统、模块和用于该方法的记录介质 - Google Patents

Abstract

一种用于查找在线圈绕组之间的具有非零实部的阻抗电气短路的方法，该线圈绕组用于对多相电动机励磁，该方法包括以下组成步骤：a)控制逆变器/整流器以使电动机在多相电流发电模式下工作(在步骤122)，b)控制开关以将电阻性负载连接在每对相导线之间(在步骤124)，该电阻性负载能够允许至少通过比较由传感器测量的电流的基波分量的功率来检测具有非零实部的阻抗电气短路，以及c)利用传感器测量的电流来检测短路的存在(在步骤128、138)。

Description

查找电阻短路的方法、系统、模块和用于该方法的记录介质

技术领域

本发明涉及一种用来查找具有非零实部的阻抗短路的方法、系统、模块和用于该方法的记录介质。

背景技术

存在用于车辆的牵引系统，其具有：

-具有永磁体的多相电动机或者绕线式同步多相电动机，该电动机的每一相具有一个或多个励磁线圈，其能够产生旋转地驱动电动机的轴的磁场，

-相导线，其用于连接电动机的各相的线圈到可控多相电源，

-与相导线相关联的电流传感器，这些传感器能够测量流入每个相导线中的电流，以及

-控制模块，其能够将电动机的轴的转矩控制为传感器所测量的电流的函数。

其中一些牵引系统还配备有至少一个电阻性负载，其可以经由至少一个可控开关而连接在每对相导线之间。

常常使用该电阻性负载来消耗车辆制动能量，或者降低过电压。

阻抗短路是一种建立在通常相互电隔离的两个电动机绕组之间的短路。然而，这种短路具有特定的阻抗。该阻抗的实部，即电阻部分，通常大于几毫欧，且通常大于10mΩ。为了简化，在本说明书的下述部分，将实部不是零的阻抗短路称为“电阻短路”。这种类型的短路的虚部可以是零，也可以不是零。

例如，当单个电动机线圈的绕组彼此短路时，或者当两个不同线圈的绕组彼此短路时，可以得到这种类型的电阻短路。

现在，如果由短路造成了电动机不正常工作，那么公知的是：

1)将所有相导线的端部电连接到公共点，或者

2)将相导线与电动机电气断开。

方案1)能够使电流在电动机相的每一相中平衡，而不管电阻短路是否存在。这就消除或者明显地降低了流经电阻短路的电流。因此，每个相导线中的电流强度都是严格相同的。通过这种平衡电流的测量，不能获得有关电阻短路是否存在的任何信息。

如果使用方案2)，就没有电流流入相导线中，因此不能使用电流传感器来检测电阻短路的存在。

因此，现有系统还往往包括至少一个特定传感器，其专门用于检测电动机故障，例如电动机绕组之间的短路。

用于检测电阻短路的特定传感器不总是那么可靠。关于这一点，期望在不使用特定传感器的情况下检测电阻短路。

发明内容

本发明试图通过提出一种查找电阻短路的方法来满足这种需求，该方法不需要提供专用的传感器。

因此，本发明涉及一种在前述牵引系统中查找电阻短路的方法，该方法包括以下组成步骤：

a)控制牵引系统以使得电动机在多相电流发电模式下工作，

b)控制可控开关以将电阻性负载连接在每对相导线之间，这种电阻性负载能够允许至少通过比较由每个传感器测量的电流的基波分量的功率来检测电阻短路，以及

c)当电阻性负载被连接在每对相导线之间且电动机工作在电流发电模式下时，通过传感器测量的电流来检测电阻短路的存在。

在前述方法中，使用的电流传感器可以与控制电动机的转矩所使用的电流传感器相同，以便检测电阻短路的存在。由于这种方法不需要使用专门检测电阻短路的特定传感器，因此这种方法更加容易实现。

这种查找方法的实施例可以包括一个或多个以下特征：

-步骤d)，其用于检测牵引系统的故障，而无需使电动机作为电流发电机工作，并且其中步骤a)到c)响应于步骤d)中的故障检测而被单独触发；

-电阻性负载的电阻部分的值是可变的，并且该方法包括用于调整这个电阻部分的值的步骤，直到至少可以通过比较所述传感器中的每一个所测量电流的所述基波分量的所述功率来检测所述电气短路；

-在步骤b)中的每对相导线之间连接的电阻性负载与用于消耗由电动机在电动机轴的制动期间所生成能量的相导线之间连接的电阻性负载相同；

-多相电源包括一侧电连接到相导线且另一侧电连接到一对DC电压导线的逆变器/整流器，并且步骤b)包括控制DC电压导线之间的电阻性负载的连接；

-电动机的单个相的线圈的电阻被称为内电阻，并用Rint表示，并且在步骤b)中，每对相导线之间连接的负载的电阻部分的值在Rint和200,000.Rint之间，使得由电动机生成的部分电流流过电阻短路，而由电动机生成的电流的另一部分流入相导线中。

查找方法的这些实施例还具有以下优点：

-在执行步骤a)到c)之前，使用检测牵引系统的故障的步骤，以使得能够限制执行该步骤的次数，并因此限制车辆制动，

-调整电阻部分的值允许该方法能够适于要查找的短路，以便保持良好的灵敏度水平，无论这个电阻短路的阻抗是多少，

-使用与消耗车辆制动期间的能量相同的电阻性负载，还使得计算方法的实现简化，以及

-使用连接在DC电压导线之间的电阻性负载，使方法的实现简化，这是因为就可以仅仅使用单个开关来连接每对相导线之间的电阻性负载。

本发明还涉及一种包括指令的数据记录介质，当电子计算机执行这些指令时，所述指令用于实现前述的查找方法。

本发明还涉及一种车辆牵引系统，包括：

-具有永磁体的多相电动机或者绕线式同步多相电动机，该电动机的每一相具有一个或多个励磁线圈，其能够产生旋转地驱动电动机的轴的磁场，

-相导线，其用于连接电动机的各相的线圈到可控多相电源，

-与相导线相关联的电流传感器，这些传感器能够测量流入每个相导线中的电流，以及

-控制模块，其能够将电动机的轴的转矩控制为传感器所测量的电流的函数，

-至少一个电阻性负载，其经由至少一个可控开关连接在每对相导线之间，以及

-诊断模块，其能够执行查找电阻短路的方法。

最后，本发明还涉及一种能够在前述牵引系统中实现的诊断模块，其中该诊断模块能够执行查找电阻短路的前述方法。

附图说明

通过参照附图阅读以下仅由非限定实例给出的说明，可以更好地理解本发明，其中：

图1是配备有电牵引系统的车辆的示意图；

图2是在图1的牵引系统中用于查找电阻短路的方法的流程图；以及

图3是其中执行图2的方法的牵引系统的另一个实施例的结构的示意图。

具体实施方式

图1示出了配备有能够旋转地驱动车辆2的驱动轮的牵引系统4的车辆2。在本发明中，车辆2是铁路车辆，例如火车。

对于本发明的余下部分，将不再详细介绍本领域技术人员所公知的特征和操作。

此外，为了简化，图1仅仅示出了一个驱动轮6。

系统4由吊线10供应DC电压。更特别地，系统4经由受电弓12和与断路器14串联的输入线圈13连接到吊线10。

系统4包括由连接到可控三相逆变器/整流器20的输入端的DC电源电压线所形成的三相电源。

在本例中，供电母线由两个电导线22和24形成。导线22电连接到传送供电电压的断路器14的输出端。电导线24连接到参考电势，例如地。

这些导线22和24通过逆变器/整流器20的DC电压输入端26和27的端部之一而电连接。

逆变器/整流器20包括三个AC电压输出端30、31和32，其分别连接到相导线34到36。

逆变器/整流器20能够将导线22和24之间出现的DC电压转换为传送到输出端30到32的AC电压，反之亦然。

逆变器/整流器20是具有例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)等可控开关的常规逆变器/整流器。

通常，这种逆变器/整流器20包括并联连接的三个分支；每个分支包括串联连接的两个可控开关，其都连接到续流二极管在反并联位置所连接的端子。

每个导线34到36为具有永磁体的三相电动机38的相应相的定子线圈供电。

图1仅示意性地示出了分别由导线34到36供电的三个定子线圈40到42。这些定子线圈能够产生旋转驱动具有永磁体的转子44的励磁场。为了简化，图1仅仅示出了三个永磁体46到48。

要注意的是，电动机38的内电阻被定义为一相的所有线圈的电阻。在电动机以星形结构安装的情况下，通过在相导线的两个连接端子之间测量电动机的电阻并且通过将测量的电阻一分为二，可以测量该电阻，从而得到单相的线圈的电阻。多相电动机的内电阻的值Rint典型地在5mΩ和100mΩ之间。例如，电动机38的内电阻的值Rint等于40mΩ。

转子44旋转地驱动轴50，其一部分通过机械装置(未示出)旋转驱动车辆2的驱动轮。

可控接触器52到54允许相导线34到36与电动机38的线圈电气断开。

可变电阻性负载60能够被连接在导线22和24之间的逆变器/整流器20的输入端。要注意的是，从电气的角度看，连接电阻性负载在导线22和24之间相当于连接电阻性负载在相导线34到36中的每一对之间。

负载60以这样的方式设计，使得连接在每对相导线之间的负载的电阻部分的值在Rint和200,000.Rint之间，其中符号“.”表示乘法。优选地，负载60被以这样的方式设计，使得连接在每对相导线之间的负载的电阻部分的值可以在Rint和200,000.Rint之间变化，或者甚至可以从Rint变化到2,000.Rint。在所述特定情况下，连接在每对相导线之间的电阻部分可以在40mΩ和8Ω之间变化。因此，对于可能发生的大多数电阻短路，可以调整负载60的电阻部分的值，以便电流的一部分流入相导线中，而电流的其它部分流经电阻短路。

在本例中，当电动机38作为用于制动车辆2的电流发电机工作时，负载60还可以消耗制动能量。

负载60包括具有定值RH的电阻器62和变阻斩波器(rheostaticchopper)64。RH在本例中等于

电阻器62通过其一端直接连接到导线24，并且通过其另一端、经由斩波器64连接到导线22。当激活时，斩波器64允许负载60连接到导线22，而当去激活时，负载60与导线22电气隔离。此外，当激活时，斩波器通过对流经电阻器62的电流斩波而使得负载60的电阻部分的值变化。

在本例中，这种斩波器64包括经由公共点70与二极管68串联连接的可控开关66。

在本例中，开关68使用IGBT 72形成，其集电极直接连接到导线22，而发射极连接到公共点70。续流二极管74在反并联的位置连接到晶体管72的端子。

二极管68的阴极连接到公共点70，而其阳极直接连接到导线24。

中心点70连接到电阻器62。

当斩波器64被激活时，开关66的开关频率fc在50Hz和10kHz之间。例如，在本例中，频率fc等于400Hz。开关66的导通比TX是可控的。在本例中，导通比TX可以在0.005到1之间变化。

这种斩波器64的导通比TX在本例中利用以下等式来定义：

TX＝ton·fc                           (1)

式中：

-TX是导通比

-ton是在每个周期1/fc上所述开关66导通过程中的时间间隔，以及

-fc是开关频率。

当斩波器64被激活时，电阻性负载60的值Req由以下等式给出：

$\mathrm{Req}=\frac{R_H}{T_X}---\left(2\right)$

式中：

-Req是负载60的电阻部分的值，

-RH是电阻器62的值，以及

-TX是导通比。

滤波电容器78永久连接在导线22和24之间。

系统4包括传感器80，其只专门用来检测电动机38的故障。传感器80能够测量表征电动机38运行的特性。这些特性使得能够检测电动机的故障，甚至在电动机旋转驱动该驱动轮的时候。例如，传感器80是电动机38的振动的检测器。

系统4还配备有能够测量相导线34到36中的每一个相导线中的电流的电流传感器。相应地，在本例中，仅仅两个分别与导线34和35相关联的电流传感器84和86用于该目的。导线36中的电流值可以从传感器84和86所获得的测量值中推导出。

控制模块88能够利用传感器84和86获得的电流测量值来控制电动机38的轴50的转矩。更具体地，控制模块88为此控制逆变器/整流器20。

模块88还能够控制接触器52到54以及斩波器64。

最后，系统4包括诊断模块90，其能够通过传感器80的测量值来检测电动机38的故障，并且还能够通过传感器84和86获得的电流测量值来检测该电动机的绕组和线圈之间的电阻短路。模块90因此能够控制逆变器/整流器20和斩波器64。

例如，使用能够执行存储器96中记录的指令的可编程电子计算机94来形成模块88和90。相应地，存储器96包括用于在计算机94执行指令时而执行图2的方法的指令。

现在将参照图2的方法来介绍系统4的操作。

开始，系统4不显示任何故障。在这些条件下，用于驱动车辆2的阶段98与车辆制动阶段99交替。

在驱动阶段98期间，传感器84和86在步骤100中测量相导线34和35中的电流，并将这些测量值传送到控制模块88。接着，在步骤102期间，模块88控制逆变器/整流器20，以便将电动机38施加的牵引转矩调整为所测量电流的函数和转矩设置的函数。

在车辆制动阶段99期间，在步骤104中，模块88控制逆变器/整流器20，以便逆变器/整流器作为电压整流器工作，并且电动机38作为三相电流发电机工作。在步骤106期间，与步骤104同时发生，模块88控制斩波器64，以便调整负载60的电阻部分的值，因此在车辆2的制动期间，电阻部分消耗由电动机38所生成的能量。

在步骤108期间，与阶段98和99同时发生，传感器80永久测量电动机38的特性，以此可以检测该电动机的故障。在步骤110期间，诊断模块90实时分析这些测量值。根据这些测量值，如果模块90没有检测到电动机38的故障，那么就不采取特别的动作，且阶段98和99继续正常运行。在这种情况下，在步骤110的最后，方法返回到步骤108。

在相反的情况下，即，在步骤110期间，如果模块90检测到电动机38存在故障，那么中断阶段98和99，且该方法接着到阶段120，以查找电动机38的线圈绕组之间的电阻短路。

在阶段120的开始时，在步骤122期间，模块90控制逆变器/整流器20，以使电动机38工作在三相电流发电模式下，且逆变器/整流器作为三相电流整流器。更具体地，在步骤122期间，模块90保持逆变器/整流器20的IGBT导通，因此逆变器/整流器表现为二极管整流器桥。

同时，在步骤124期间，模块90控制斩波器64的激活，以将负载60连接在导线22和24之间。在步骤124期间，例如，斩波器64的导通比TX直接从值0变化到值1，因此负载60的电阻部分的值是最小的。

这样，在步骤122和124的最后，电动机38对车辆2进行制动。此外，几乎所有由电动机38生成的电流都流经相导线，这是由于连接在导线22和24之间的负载60的值基本等于Rint。在这些条件下，限制了电动机故障的恶化。

然后，在步骤126期间，传感器84和86测量流入相导线34和35中的电流，并发送这些测量值到模块90。

基于这些测量值，在步骤128期间，模块90试图检测电阻短路的存在。更具体地，在步骤128期间，模块90在操作130中利用传感器84和86获得的测量值来计算所有相电流的基波成分的功率。在本例中，这些基波成分的频率等于电动机38的定子频率。接着，在操作132期间，由此成对比较功率。

如果这些基波电流成分的功率基本相等，那么在步骤136期间，模块90控制斩波器64以使负载60的电阻部分的值增加预定增量。例如，在步骤130期间，模块90使变阻斩波器64的导通比TX减小预定增量。该预定增量例如可以等于0.05。

接着，控制模块进行到步骤138，在此期间，模块90再次尝试检测电阻短路的存在。这个步骤138例如等同于步骤128。如果没有检测到电阻短路，那么该方法返回到步骤136。模块90因此逐渐地增加负载60的电阻部分的值，直到该值足以使得电动机38所产生电流的一大部分流入相导线中，而电流的另一大部分流过电阻短路。通过应用例如参照步骤128所述的检测方法，一旦能够通过传感器84和86测量的电流对短路进行检测，该部分的电流就被称为是“大的”。在这种情况下，如果在电动机38的线圈绕组之间实际上存在短路，则基波电流成分的功率之间的差值例如超过了预定阈值，且这能够确定电阻短路的存在。而且，作为相互不同的基波成分的振幅的功能，可以确定电动机38的哪个相或哪些相受电阻短路的影响。

在步骤128期间或者在步骤138期间，如果确定存在电阻短路，那么阶段120结束，且接着进行到阶段140，在此期间，向车辆2的司机通知电阻短路的存在。

如果负载60的电阻部分的值达到了最大值，且不可能在步骤128或步骤138期间检测到电阻短路，那么在步骤142期间，结束该方法，并且不认为存在电阻短路。

应该注意的是，在这个特定实施例中，假设传感器84和86位于接触器52到54的上游，模块90还能够检测这些接触器52到54之间的短路，以及检测将这些接触器52至54连接到电动机38的连接端子的相导线之间的电阻短路。

而且，在本例中，模块90优选还能够检测逆变器/整流器的故障，假定传感器84和86测量的电流在到达负载60之间还流经逆变器/整流器20。

最后，应该理解的是，如果电动机38所产生的电流的一大部分流过电阻短路并且该电流的另一大部分流入相导线中，那么相导线中的电流的作用是确定电阻短路。基于这些相电流的测量值，因此可以不仅仅确定电阻短路的存在，而且还指定了电动机38的哪个相位受电阻短路的影响。

图3示出了车辆2的电牵引系统150的另一个实施例。在该图中，已经参照图1描述的元件给出了相同的附图标记。

除了连接在相导线34到36之间的三相可变电阻性负载152代替了负载60，系统150等同于系统4。

一端连接到公共点153的三个并联分支形成了负载152。这些分支的其它端被分别连接到导线34、35和36。这些分支中的每一个都包括电阻器，分别是154到156，其一侧直接连接到公共点153，而另一侧经由可控变阻斩波器160连接到相导线。斩波器160可以由诊断模块90控制。电阻器154到156的值是常量。

电阻器154到156的值被选为等于Rint，因而每个分支上的负载152的电阻部分的值都可以在Rint和2,000.Rint之间变化。

系统150的工作可以从参照图2的描述中导出。如图2的方法，如果利用传感器80的测量值检测到故障，模块90调整负载152的电阻部分的值，使得电动机38所产生电流的一大部分流经电阻短路，而另一大部分流入相导线中。因此，与系统4一样，电流传感器84和86可以用来检测电阻短路的存在。然而，在该实施例中，流入相导线中的电流不经过逆变器/整流器20，从而在该实施例中，不能检测逆变器/整流器20的故障。

系统4或系统150的许多其它实施例也是可行的。例如，可以利用变阻器来产生电阻性负载的可变电阻部分，将其数值变化为施加在其端子之间的电压的函数。可变电阻部分还可以使用DC/DC变换器产生。

在本例中，在系统4中，用来使电流的大部分流入相导线34到36的电阻部分与在变阻制动期间消耗由电动机38生成的能量所使用的电阻部分相同。然而，应该注意的是，在这两个实施例中，电阻部分的值没有以相同的方式调整。在变阻制动的情况下，调整电阻器62的值，以便适当消耗在制动期间由电动机38所生成的能量。如果使用相同的电阻器来执行该查找方法，则调整该值以使得由电动机38生成的三相电流的大部分流入相导线34到36中，以便模块90能够基于该电流的测量值来检测这个电阻短路的存在。

在修改例中，代替用于在车辆2的制动期间消耗能量的电阻器，当执行图2的方法时，可以使用并联连接在导线22和24之间的限幅电阻器。在牵引系统的正常运行期间，这种限幅电阻器的功能是限制在导线22和24之间可能出现的过压。

已经在特定实例中介绍了该系统，其中电动机38是具有永磁体的电动机。然而，图2的方法还适用于其中牵引电动机是绕线式同步多相电动机(即，电动机包括定子和转子上的线圈)的牵引系统。

在简化的实施例中，可以利用电阻部分的值是常量的负载来代替可变负载60和可变负载152。在这个实施例中，该负载的电阻部分的值可以通过模拟或实验预先确定，使得车辆2的给定速度能够在大多数电阻短路的情况下使电动机所生成电流的一大部分流入相导线中，而另一大部分流经电阻短路。

在修改例中，一旦已经调整了连接在每对相导线之间的电阻部分的值以使得电动机所生成电流的一大部分流入相导线中，而另一大部分流经电阻短路，那么可以使用除其中包括比较测量电流的基波成分的功率的方法以外的方法来检测电阻短路的存在。

本文献所述的查找方法可以应用到除了车辆中使用的牵引系统以外的牵引系统中。

在简化的实施例中，可以省略传感器80。在这个简化的实施例中，例如，可以在启动牵引系统时触发用于查找电阻短路的方法。如果使用传感器84和86检测到过电流，那么也可以触发该查找方法。

Claims (9)

1、一种用于查找在线圈绕组之间的具有非零实部的阻抗电气短路的方法，该线圈绕组用于对电牵引系统中的具有永磁体的多相电动机或者绕线式同步多相电动机进行励磁，该牵引系统包括：

-具有永磁体的多相电动机(38)或者绕线式同步多相电动机，该电动机的每一相具有一个或多个励磁线圈，其能够产生旋转驱动所述电动机的轴的磁场，

-相导线(34到36)，其用于连接所述电动机的各相的所述线圈到可控多相电源，

-与所述相导线相关联的电流传感器(84、86)，这些传感器能够测量流入每个相导线中的电流，

-控制模块(88)，其能够将所述电动机的所述轴的转矩控制为所述传感器测量的所述电流的函数，以及

-至少一个电阻性负载(60；152)，其能够经由至少一个可控开关连接在每对相导线之间，

其特征在于，该方法包括以下组成步骤：

a)控制所述牵引系统以使得所述电动机在多相电流发电模式下工作(在步骤122)，

b)控制所述可控开关以将所述电阻性负载连接在每对相导线之间(在步骤124)，该电阻性负载能够允许至少通过比较由所述传感器中的每一个所测量的所述电流的基波分量的功率来检测具有非零实部的阻抗电气短路，以及

c)当所述电阻性负载连接在每对相导线之间且所述电动机在电流发电模式下工作时，通过所述传感器测量的所述电流来检测所述电气短路的存在(在步骤128、138)。

2、根据权利要求1所述的方法，其中该方法包括步骤d)，其用于检测所述牵引系统的故障(在步骤110)，而无需使所述电动机作为电流发电机工作，并且其中步骤a)到c)响应于步骤d)中的故障检测而被单独触发。

3、根据前述任一项权利要求所述的方法，对于牵引系统，其中所述电阻性负载的电阻部分的值是可变的，并且其中该方法包括用于调整这个电阻部分的所述值的步骤(136)，直到至少可以通过比较所述传感器中的每一个所测量电流的所述基波分量的所述功率来检测所述电气短路。

4、根据权利要求3所述的方法，其中在步骤b)期间，每对相导线之间连接的所述电阻性负载都与用于在所述电动机轴的制动期间消耗由所述电动机生成的能量的所述相导线之间连接的电阻性负载相同。

5、根据前述任一项权利要求所述的方法，对于牵引系统，其中所述多相电源包括一侧电连接到所述相导线而另一侧连接到一对DC电压导线的逆变器/整流器，并且其中步骤b)包括控制所述DC电压导线之间的所述电阻性负载的连接。

6、根据前述任一项权利要求所述的方法，对于系统，其中将所述电动机的单相的线圈的电阻称为内电阻，并且用Rint表示，并且其中，在步骤b)期间，每对相导线之间连接的所述负载的所述电阻部分的值在Rint和200,000.Rint之间，使得所述电动机生成的所述电流的一部分流过所述电阻短路，而所述电动机生成的所述电流的另一部分流入所述相导线中。

7、数据记录介质，其特征在于包括指令，当电子计算机执行这些指令时，所述指令用于执行根据前述任一项权利要求所述的方法。

8、一种电牵引系统，该系统包括：

-具有永磁体的多相电动机(38)或者绕线式同步多相电动机，该电动机的每一相具有一个或多个励磁线圈，其能够产生旋转驱动所述电动机的轴的磁场，

-相导线(34到36)，其用于连接所述电动机的各相的线圈到可控多相电源，

-与所述相导线相关联的电流传感器(84、86)，这些传感器能够测量流入每个相导线中的电流，

-控制模块(88)，其能够将所述电动机的所述轴的转矩控制为所述传感器测量的所述电流的函数，以及

-至少一个电阻性负载(60；152)，其可以经由至少一个可控开关连接在每对所述相导线之间，

其特征在于，该系统还包括诊断模块(90)，其能够执行根据权利要求1到6中任一项所述的用于查找具有非零实部的阻抗电气短路的方法。

9、能够在根据权利要求8所述的牵引系统中实现的诊断模块，其特征在于，该诊断模块能够执行根据权利要求1到6中任一项所述的用于查找具有非零实部的阻抗电气短路的方法。

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