CN101320958A - 半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，由电动机组、整流器组、限流器组、斩波器组、隔离器组、限流平波器、电力电容器、半桥逆变器、速度反馈器、电流反馈器、励磁变压器、励磁接触器、控制接触器、切换接触器、驱动器、微处理器、A/D变换器和信号处理器构成。采用逆变控制理论、CPU技术和三相零线式电路，利用驱动器输出的PWM信号控制斩波器有序工作，进而拖动多台电机进行实时在线控制，实现起重机、风机或水泵的各机构的操作。具有电路简单、体积较小、性价比好、可靠性高、节约能源、作业安全等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机转子变频调速系统，确切地说是一种用半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统。本发明大多用于中小功率系统中。
背景技术
电机是起重机、风机和水泵各工作机构中的原动机，它将电能转化为机械能。就起重机为例，它可以拖动起重机执行提升(或下降)、变幅、回转和行走等四种不同机构运动，完成起重机现场作业任务。
图1给出了传统的起重机用不同工作的电机变频调速系统原理图。从该图中可以看出：该系统是在将电网提供的恒压恒频交流电源，经整流桥转换成直流，继而通过中间电路将直流经逆变桥又转换成不同工作频率的交流来驱动电机转动工作。
假设：电网电源频率为fo，
电机工作频率为fm。
那么：fm＝ξfo成立，
这里：ξ为变转差率。
基于起重机现场作业时，通常要求完成提升、变幅、回转和行走等四种不同工作。因此，各相应的执行机构，就需要不同的电机提供不同的电能转化为不同的机械能。这就是说，起重机不同的工作，所需的电机转速不同，即电机的工作频率fm不同。然而，传统的电机变频调速系统中，一个逆变桥只能变换一个电机工作频率，对一个电机进行变频调速，俗称“一拖一”技术。显然，起重机的四种不同工作，就需要四个逆变桥电路才能实现两次换能的“交一直一交”变换，产生四个电机所需的各自的工作频率，以分别完成起重机现场作业时的提升、变幅、回转和行走工作。
综合上述的传统的电机调速系统，其频率调节范围宽，且不受电网频率限制；既可以采取强迫换能，又可以采以负载换能。这种调速系统，除了低速时转差功能损耗大和效率低外，最为突出的是需要用四个逆变桥，从而使得系统体积庞大、笨重，而且造价昂贵，实施起来是非常困难的。
近年来，由于变频技术的飞跃发展，特别是矢量控制技术和直接转矩控制技术的应用，变频技术日趋成熟，以其宽广的调速范围、较高的稳速精度，快速的动态响应及能在直角坐标系中的四象限内作可逆运行的性能，位居交流传动之首，其调速性能完全可以和直流传动相媲美，并有取代之势。然而，目前国外起重机构采用的变频技术，仍然是一个功能用一个变频器，一个变频器配一个逆变桥，对于起重机正常运行的四种功能。仍需配置四个逆变桥。如果要使变频调速系统增加能量回馈功能，则需再增添四个逆变桥，显然这是不合算的。因此，国外众多公司的相关产品，仍然是采用“一拖一”的方式来完成起重机的正常运行工作。例如：日本的安川、德国的西门子、瑞士的ABB和法国的施耐得等产品，在我国相关应用领域到处可见，其价格也十分昂贵。
针对上述已有变频技术存在的严重缺陷，本发明人曾先后相继申请专利，并经中华人民共和国国家知识产权局授予实用新型三项专利，其专利号分别为“ZL 00232436.9”、“ZL 0121224.5”和“ZL200720087085.7”。这三项实用新型专利，首先公开了用一个有源逆变器，带有多台电机，工作时，逆变器定位在最小逆变角，通过每个斩波器的导通和关断，实现转子变频调速，使起重机实时完成提升、变幅、回转和行走四种工作。然而，上述三项实用新型专利，仅仅提出了“一拖四”转子变频调速的基本构想，对于如何提供适当的正向和反向输出控制电压，使各斩波器有效导通和关断；对于如何采集转子相电压和整流器输出直流，使斩波器迅速建立栅极控制电场，确保系统正常有序工作等问题，还有待全面解决。
发明内容
本发明目的之一，就是要提供一整套用半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统。即对多台电机在线控制时，由同一半桥逆变器输出的电压，作各功能电机的附加反向电动势，驱动各功能斩波器实时工作，以实现多台电机异步同时运行。
本发明目的之二，就是要使该系统具有能量反馈再利用功能，做到有效节约能源。
本发明目的之三，就是要使该系统具有能耗制动功能。即在该系统中设置一个励磁变压器，以使在能耗制动状态下，电机定子绕组通入直流励磁电流，电机内部建立静止的磁通势，迫使电动机处于发电机状态。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，就起重机为例，它包括：
一电动机组，共4台：M1、M2、M3和M4，用以异步同时完成起重机提升、变幅、回转和行走四种工作。
一整流器组，含有4个整流桥：Z1、Z2、Z3和Z4，用以对与其相连接的电动机转子提供的不同频率交流信号进行整流。
一斩波器组，含有4个斩波器：IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4，通过调节每个斩波器的导通率，实现直流电流的连续调节，进而使电动机转子电流连续调节，以达到电机转子变频调速的目的；必须指出的是：当斩波器导通率为100％时，电机转速为额定转速。
一隔离器组，含有4个隔离器：D1、D2、D3和D4，做到在最小工作电流下，仍能维持其连续性，确保电机转子正常工作。
一半桥逆变器，用以将各电机转子输出的不同频率的交流电经整流为直流后，逆变成与电网电源同频，同相的工频交流电，实现交变直，直变交，并进行能量反馈至电机或电网；或者说，将所设定的触发脉冲信号送至各可控硅的控制输入端，依据当时电网电压的频率和该频率的相位角(A向、B向和C向)逐步开启可控硅，以实现其输的电压与电网电压和频率相同的交流电。
一限流平波器，用以将隔离器组输出的工作电流进行限流和平波，并送至三相交流电网电源的零线，实现三相零线式有源逆变，将直流电变换为与电网频率相同的交流电送回电网。
一电力电容器，用以为斩波器组，限流平波器和半桥逆变器构成通路，完成三相零线式有源逆变工作。
一速度反馈器组，含有4个电压检测器：Uv1、Uv2、Uv3和Uv4，系位于前述电机转子任意两线之间，用以检测各电机不同转速的任意两线间的不同频率的交流电压，并转换为直流电压送至相对应的信号处理器的输入端。
一电流反馈器组，含有4个电压检测器：UI1、UI2、UI3和UI4，系位于前述整流桥所包含的限流电阻R1、R2、R3和R4所流经的路径上，用以检测经各对应的限流电阻限流后的直流电流，并转换为电压形式送至相对应的信号处理器的输入端；
一励磁变压器，用以确保在能耗制动状态下，定子绕组通入直流励磁电流，电机内部建立静止的磁通势，迫使电机处于发电机状态。
一励磁接触器、一控制接触器和一切换接触器，用以在能耗制动状态下，励磁接触器和控制接触器处于闭合状态，而切换接触器处于断开状态，确保电机工作状态的改变。反之，切换接触器闭合，励磁接触器和控制接触器断开时，电机正常运行。
一驱动器组，含有4个驱动器，选用EX841集成电路，依次为：EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4，均受微处理器CPU的主程序控制，进行脉宽调制，输出PWM信号，送至相对应的斩波器的栅极，使各斩波器实时可靠的导通和关断；
一微处理器CPU，其工作由主程序决定，它接收来自各个A/D变换器的数字信号，并进行数据处理，依次送至相对应的驱动电路，以实时控制斩波器工作；
一A/D变换器组，含有4个A/D变换器；A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4，用以将各对应的模拟信号变换为所需的数字信号；
一信号处理器组，含有4个信号处理器：U1、U2、U3和U4，用以将各对应的电压、电流检测信号和司机给出的主令信号进行综合处理分别送至相对应的A/D变换器；
本发明基于采用逆变控制理论技术，用半桥有源逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速，特别适合中小功率电机应用于起重机、风机和水泵的系统中。它还能将电机转差能量回送到电网或电机，这相比于目前国外最先进的定子变频调速节电20％以上，其成本则降低三分之一；对于风机、水泵类负载而言，实现“一拖多”后，节电达60％，成本可降低一半之多。就整个系统而言，不仅简化了电路，缩小了体积，降低了成本，而且还节约了能源，提高了可靠性，确保了安全作业。
本发明在起重机的上升作业时，基于电机转子接入半桥有源逆变系统，多余的电能始终经同一半桥逆变器反馈回电机或电网，而起重机下降作业时，电机定子两相通入直流励磁，于是，电机实际上便成了发电机，处于发电状态，而且所发出的电能再经同一半桥逆变器重新反馈回电机或电网，实现了能量回收，有效节约了能源。
本发明基于采用CPU控制技术，在其主程序的控制下，对所采集的各电机转子压、整流器直流及司机给出的主令电压，进行综合实时处理，及时推动各驱动器工作，以控制对各斩波器的有效导通和关断，实现电机转子变频调速。采用CPU控制技术，通过增添辅助电路，结合适当的软件支持，还可以对起重机的超载限制、故障监控、超速限制、限位断相以及欠压、过流和风速进行自动保护、状态显示与人机对话，实现了高智能化实时控制。
本发明基于选用EX841集成电路作斩波器开关器件的驱动器，它可以对CPU输出的数字脉冲信号进行功率放大，产生PWM控制信号，保证斩波器有效可靠工作。同时该集成电路内部还设有欠压、过流保护，可以确保系统正常运行。
值得说明的是：本发明中的斩波器开关器件为按照电机额定功率要求进行实际选用的。因此，斩波器的控制部分也具有适用性，可使斩波器迅速建立栅控电场，确保系统正常有序可靠工作。
附图说明
图1为传统的起重机用不同工作的电机变频调速系统原理图。
图2为本发明一个逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统电原理接线示意图。
图3为本发明驱动器组、微处理器CPU、A/D变换器组和信号处理器组电原理接线示意图。
图中符号说明
1是电动机组：M1、M2、M3和M4
2是整流器组：Z1、Z2、Z3和Z4
3是斩波器组：IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4
4是隔离器组：D1、D2、D3和D4
5是限流平波器：L
6是电力电容器：C
7是半桥有源逆变器
8是速度反馈器组，其任意两相检测电压为：Uv1、Uv2、Uv3和Uv4
9是电流反馈器组：其电流检测电阻为R1、R2、R3和R4；电流检测电压为UI1、UI2、UI3和UI4
10是励磁变压器：T1
11是励磁接触器：KML1
12是控制接触器：KML2
13是切换接触器：KML3
14是驱动器组：EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4
15是微处理器CPU
16是A/D变换器组：A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4
17是信号处理器组：U1、U2、U3和U4
此外，图3中的UM1、UM2、UM3和UM4分别为起重机现场作业的提升、变幅、回转和行走四种工作的主令电压。
具体实施方式
请参阅图2和图3所示，为本发明具体实施例。
结合图2和图3可以看出：本发明由电动机组1、整流器组2、斩波器组3、隔离器组4、限流平波器5、电力电容器6、半桥有源逆变器7、速度反馈器组8、电流反馈器组9、励磁变压器10、励磁接触器11、控制接触器12、切换接触器13、驱动器组14、微处理器15、A/D变换器组16和信号处理器组17构成一个整体；其中：
所述电动机组1中的电动机M1、M2、M3和M4各自的转子依次分别接至整流器组2中的Z1、Z2、Z3和Z4各自相对应的输入端；
所述半桥逆变器的输出端与电动机组1中的电机M1、M2、M3和M4各自的定子同时接入同一恒压恒频380伏交流电网供电电源；
所述斩波器组3中的斩波器IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4各自的阴极同时相交连接于一点，即B点；
所述隔离器组4中的隔离器D1、D2、D3和D4各自的输出端同时相交连接于一点，即A点；
所述电流反馈器组9中的电流检测电阻R1、R2、R3和R4各自的输入端分别与整流器组2中的Z1、Z2、Z3和Z4的输出端相连接；而前述各电流检测电阻R1、R2、R3和R4的输出端依次与斩波器组3中的斩波器IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4各自对应的阳极及隔离器组4中的隔离器D1、D2、D3和D4各自对应的输入端相连接；
所述限流平波器(L)5，其输入端与隔离组4中的隔离器D1、D2、D3和D4的输出商和电力电容器(C)6的一端同时相交于一点，即A点；其输出端直接与三相交流电网电源的零线N相紧密连接；
所述电力电容器(C)6的另一端分别与整流器组2中的Z1、Z2、Z3和Z4各自下端的3只整流二极管的正极和斩波器组中的IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4各自的阴极以及半桥逆变器7中的可控硅KP1、KP2和KP3各自的负极同时相交于一点，即B点；
所述半桥逆变器7中的可控硅KP1、KP2和KP3各自的输出端分别经相串联的电感器L1和熔断器FU1、电感器L2和熔断器FU2、电感器L3和熔断器FU3直接与电网电压A、B、C三相线端相连接；
所述半桥逆变器7中的可控硅KP1、KP2和KP3各自的输出端分别经相串联的电容器C1和电阻器R5、电容器C2和电阻器R6、电容器C3和电阻器R7同时与其自身的负极并联相交于一点，即B点；
所述半桥逆变器7中的可控硅KP1、KP2和KP3各自的控制端AG、BG和CG与其自身的负极AK、BK和CK之间依次并联一电容器C4、C5和C6，且相交于一点，即B点；
所述励磁变压器(T1)10，其3个输入端依次分别与励磁接触器11的3个相对应的触脚相连接；其3个输出端依次分别与3个整流二极管的正极相连接，继而3个整流二极管的负极连接于一点，即C点，再与控制接触器12的1个触脚相连接；励磁变压器(T1)10的耦合端经限流器“I＜”继而与控制接触器12的另一个触脚相连接；
所述励磁接触器(KML1)11的3个输入端触脚依次对应与电网电压A、B、C三相线端相连接；
所述控制接触器(KML2)12的2个输出端触脚与电机定子三线中的任意两线相连接；
所述切换接触器(KML3)13的3个输入端触脚依次对应与电网电压A、B、C三相线端相连接；其3个输出端触脚依次与电机定子三线相连接；
所述的驱动器组14中的驱动器EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4，它们的第3脚，依次分别与斩波器组3中的斩波器IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4的栅级直接相连接；而各驱动器的第1脚依次分别与其相对应的斩波器的阴极直接相交连接于一点，即B点；各驱动器的第15脚分别经各路的限流电阻R5，依次与微处理器15的引脚P1.0、P1.2、P1.4、P1.6相连接；各驱动器的第14脚与微处理器15的引脚P1.1、P1.3、P1.5和P1.7之间设置的射极跟随器Q1的集电极相连接；各驱动器第1脚与其第9脚之间均接有一个47MF的电容器，用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，而并非电源滤波电容；
所述的微处理器15的引脚P1.1、P1.3、P1.5和P1.7依次与驱动器组4中的驱动器EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4之间设置的射极跟随器Q1的基极相连接；
所述电流反馈器组9中的电流检测电阻R1、R2、R3和R4，其阻值相等，各自通过的限流直流I1、I2、I3和I4，其电流大小不同，折算出的直流电压UI1、UI2、UI3和UI4，其电压大小也不同，且各电压依次分别接至信号处理器组17中对应的信号处理器U1、U2、U3和U4的输入端的第1和第2脚；
所述速度反馈器组8折算电压依次取自于电动机组1中的电机M1、M2、M3和M4转子上的任意两相相电压Uv1、Uv2、Uv3和Uv4，且各电压依次分别接至信号处理器17中对应的信号处理器U1、U2、U3和U4的输入端的第3和第4脚；而由司机给出的主令电压UM1、UM2、UM3和UM4依次分别接至信号处理器组17中对应的信号处理器U1、U2、U3和U4的输入端的第5脚和第6脚；
所述的信号处理器组17中的信号处理器U1、U2、U3和U4各自的输出端F0、F1、F2和F3依次分别与A/D变换器组16中的变换器A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4各自的输入端H0、H1、H2和H3相直接连接；
所述的A/D变换器组16中的变换器A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4各自的输出端T0、T1、T2和T3依次分别与微处理器15的输入端I1.0、I1.1、I1.2和I1.3直接相连接。
以上实施例仅为说明本发明的技术特征和可实施性。必须声明的是：本发明除用于前述起重机执行提升、变幅、回转和行走等四种不同机构运动，完成现场作业任务外，还适用于风机、水泵等任何需要拖动多台电机异步同时实时工作的场所。诸如：纺织行业中各纺织车间不同温度、湿度的控制；各水电站不同流量、流速的控制；造船行业的钢板吊装拼接、构件对孔铆接、船体移动翻转、重物悬空焊接；大型建筑物整体吊装和石油化工设备整体安装等领域。因此，任何以熟知的技巧所采用的线路或控制方法，均包含在本发明的精神内。至于本发明的专利特征由所述的申请专利范围具体界定。
Claims (8)
1.半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，由电动机组(1)、整流器组(2)、斩波器组(3)、隔离器组(4)、限流平波器(5)、电力电容器(6)、半桥有源逆变器(7)、速度反馈器组(8)、电流反馈器组(9)、励磁变压器(10)、励磁接触器(11)、控制接触器(12)、切换接触器(13)、驱动器组(14)、微处理器(15)、A/D变换器组(16)和信号处理器组(17)构成一个整体；其中：
所述电动机组(1)中的电动机M1、M2、M3和M4各自的转子依次分别接至整流器组(2)中的Z1、Z2、Z3和Z4各自相对应的输入端；
所述斩波器组(3)中的斩波器IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4各自的阴极同时相交连接于一点，即B点；
所述隔离器组(4)中的隔离器D1、D2、D3和D4各自的输出端同时相交连接于一点，即A点；
所述驱动器组(14)中的驱动器EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4，它们的第3脚，依次分别与斩波器组(3)中的斩波器IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4的栅级直接相连接；而各驱动器的第1脚依次分别与其相对应的斩波器的阴极直接相交连接于一点，即B点；各驱动器的第15脚分别经各路的限流电阻R5，依次与微处理器(15)的引脚P1.0、P1.2、P1.4、P1.6相连接；各驱动器的第14脚与微处理器(15)的引脚P1.1、P1.3、P1.5和P1.7之间设置的射极跟随器Q1的集电极相连接；各驱动器第1脚与其第9脚之间均接有一个47MF的电容器；
所述的微处理器(15)的引脚P1.1、P1.3、P1.5和P1.7依次与驱动器组(14)中的驱动器EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4之间设置的射极跟随器Q1的基极相连接；
所述A/D变换器组(16)中的变换器A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4各自的输出端T0、T1、T2和T3依次分别与微处理器(15)的输入端I1.0、I1.1、I1.2和I1.3直接相连接；
所述的信号处理器组(17)中的信号处理器U1、U2、U3和U4各自的输出端F0、F1、F2和F3依次分别与A/D变换器组(16)中的变换器A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4各自的输入端H0、H1、H2和H3相直接连接；
所述电流反馈器组(9)中的电流检测电阻R1、R2、R3和R4，其阻值相等，各自通过的限流直流I1、I2、I3和I4，其电流大小不同，折算出的直流电压UI1、UI2、UI3和UI4，其电压大小也不同，且各电压依次分别接至信号处理器组(17)中对应的信号处理器U1、U2、U3和U4的输入端的第1和第2脚；
所述速度反馈器组(8)折算电压依次取自于电动机组1中的电机M1、M2、M3和M4转子上的任意两相相电压Uv1、Uv2、Uv3和Uv4，且各电压依次分别接至信号处理器(17)中对应的信号处理器U1、U2、U3和U4的输入端的第3和第4脚；而由司机给出的主令电压UM1、UM2、UM3和UM4依次分别接至信号处理器组(17)中对应的信号处理器U1、U2、U3和U4的输入端的第5脚和第6脚；
其特征是：
a.所述半桥逆变器(7)中的可控硅KP1、KP2和KP3各自的输出端分别经相串联的电感器L1和熔断器FU1、电感器L2和熔断器FU2、电感器L3和熔断器FU3直接与电网电压A、B、C三相线端相连接；
b.所述半桥逆变器(7)中的可控硅KP1、KP2和KP3各自的输出端分别经相串联的电容器C1和电阻器R5、电容器C2和电阻器R6、电容器C3和电阻器R7同时与其自身的负极并联相交于一点，即B点；
c.所述半桥逆变器(7)中的可控硅KP1、KP2和KP3各自的控制端AG、BG和CG与其自身的负极AK、BK和CK之间依次并联一电容器C4、C5和C6，且相交于一点，即B点。
2.如权利要求1所述的半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是：
所述限流平波器L(5)，其输入端与隔离组(4)中的隔离器D1、D2、D3和D4的输出商和电力电容器C(6)的一端同时相交于一点，即A点；其输出端直接与三相交流电网电源的零线N相紧密连接。
3.如权利要求1所述的半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是：
所述电力电容器C(6)的另一端分别与整流器组(2)中的Z1、Z2、Z3和Z4各自下端的3只整流二极管的正极和斩波器组中的IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4各自的阴极以及半桥逆变器(7)中的可控硅KP1、KP2和KP3各自的负极同时相交于一点，即B点。
4.如权利要求1所述的半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是：
所述励磁变压器T1(10)，其3个输入端依次分别与励磁接触器(11)的3个相对应的触脚相连接；其3个输出端依次分别与3个整流二极管的正极相连接，继而3个整流二极管的负极连接于一点，即C点，再与控制接触器(12)的1个触脚相连接；励磁变压器T1(10)的耦合端经限流器“I＜”继而与控制接触器(12)的另一个触脚相连接。
5.如权利要求4所述的半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是：
所述励磁接触器KML1(11)的3个输入端触脚依次对应与电网电压A、B、C三相线端相连接。
6.如权利要求4所述的半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是：
所述控制接触器KML2(12)的2个输出端触脚与电机定子三线中的任意两线相连接。
7.如权利要求4所述的半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是：
所述切换接触器KML3(13)的3个输入端触脚依次对应与电网电压A、B、C三相线端相连接；其3个输出端触脚依次与电机定子三线相连接。
8.如权利要求1所述的半桥逆变器拖动多台电机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是：
所述电流反馈器组(9)中的电流检测电阻R1、R2、R3和R4各自的输入端分别与整流器组(2)中的Z1、Z2、Z3和Z4的输出端相连接；而前述各电流检测电阻R1、R2、R3和R4的输出端依次与斩波器组(3)中的斩波器IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4各自对应的阳极及隔离器组(4)中的隔离器D1、D2、D3和D4各自对应的输入端相连接。
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