CN103384123A - 逆变器控制器及控制逆变器的开关频率的方法 - Google Patents

逆变器控制器及控制逆变器的开关频率的方法 Download PDF

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Abstract

一种逆变器控制器和控制逆变器的开关频率的方法，该方法包括以下步骤：对表示第一开关频率处的温度变量的信号进行测量以确定所测量的温度变量；将所测量的温度变量与第一阈值进行比较；确定所测量的温度变量是否大于第一阈值；如果所测量的温度变量不大于第一阈值，则计算第二开关频率下的温度变量；如果在第二开关频率下计算的温度变量小于第一阈值，将逆变器的开关频率设置为第二开关频率。

Description

逆变器控制器及控制逆变器的开关频率的方法
技术领域
本发明涉及逆变器控制器以及控制逆变器的方法。
背景技术
逆变器是众所周知的用于从直流源（例如整流源）向负载（例如，电机）提供交流电力的装置。
参照图1，如在100处所示，简单的逆变器配置包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）102、二极管104和栅极驱动器106。对于本领域技术人员来说该配置是众所周知的，并且在此不详细描述该配置，而且该配置可以包括多个二极管、IGBT和驱动器。
根据已知的系统，为了避免性能劣化或故障，装置的峰值温度或绝对温度被保持在故障温度（例如，150°C）或低于故障温度的阈值温度（例如，135°C）以下。一个已知的装置为可以从Control Techniques有限公司得到的Unidrive M700产品。其中，如根据图1与图2可以理解的，由模块（例如，热敏电阻108）获得外壳的温度反馈，热敏电阻108将该值馈送至温度监视和脉冲宽度调制（PWM）控制器110，控制器110接收另外的所测量的操作条件和控制参数以如下面所描述的对装置温度进行建模。具体地，可以通过经由控制器110减小逆变器的开关频率来降低温度。可以根据图2进一步理解该过程，其中将装置结壳（junction-to-case）温度得出为包括直流链电压和装置电流（其与来自控制器204的电流开关频率一起馈送至功率损耗模块202）的所测量的操作条件200以及可选地另外的控制参数（例如，有效地作为另外的模型参数的调制深度）的函数。结合热敏电阻模型206，在208处结合来自电机控制算法210的输出频率计算峰值温度以补偿功率损耗随时间的变化来提供作为输出频率的函数的峰值温度的更准确的表示。该峰值温度与来自热敏电阻108的外壳温度反馈212在214处相加以获得结壳温度加上外壳温度的温度评估216，即，被馈送给开关频率控制的绝度温度上升。将开关频率馈送回功率损耗模块以及PWM控制器110，PWM控制器110生成适当的栅极信号218以控制逆变器的开关频率。
该方法借助于通过开关频率的减小来将功率损耗最小化以延长开关装置的寿命，尤其防止当达到故障温度时装置停止运转。然而，已知的装置没有以根据本方法的最佳性能操作并且例如仍然会面临缩短的寿命。
发明内容
在权利要求中阐述了本发明。具体地，认识到有时被称为“温度纹波”的温度的变化（即使低于阈值温度）可以导致装置的过早失效。通过监视温度纹波和相应地控制开关频率，从而可以延长寿命同时保持最佳操作。
根据第一方面，提供了一种控制逆变器的开关频率的方法，该方法包括以下步骤：对表示第一开关频率下的温度变量的信号进行测量以确定所测量的温度变量；将所测量的温度变量与第一阈值进行比较；确定所测量的温度变量是否大于第一阈值；如果所测量的温度变量不大于第一阈值，则计算第二开关频率下的温度变量；如果在第二开关频率下计算的温度变量小于第一阈值，将逆变器的开关频率设置为第二开关频率。
可选地，比较所测量的温度变量的步骤包括将所测量的温度变量与第一阈值和第二阈值进行比较，并且如果所测量的温度变量不在第一阈值与第二阈值之间，该方法进行到确定所测量的温度变量是否大于第一阈值的步骤。
可选地，如果所测量的温度变量在第一阈值与第二阈值之间，则在预定时间之后再次确定所测量的温度变量。
可选地，该预定时间为温度变化监视器的采样率。
可选地，第一阈值高于第二阈值。
可选地，第一阈值和第二阈值使得：如果所测量的温度变量低于第二阈值，则在第二开关频率下计算的温度变量低于第一阈值。
可选地，如果所测量的温度变量大于第一阈值，则该方法还包括减小开关频率的步骤。
可选地，减小开关频率包括将开关频率减小至下一个最低开关频率或减小至最小开关频率。
可选地，如果开关频率处于最小开关频率，则减小开关频率的步骤包括将开关频率保持在最小开关频率。
可选地，第二开关频率高于第一开关频率。
可选地，对表示温度变量的信号进行测量包括对表示逆变器的温度变量的信号或表示逆变器的部件的温度变量的信号进行测量。
可选地，对表示温度变量的信号进行测量包括对逆变器的具有最大温度变量的部件进行测量。
可选地，温度变量包括温度纹波和/或峰值温度。
可选地，计算温度变量的步骤包括在线（online）计算该温度。
根据第二方面，提供了一种逆变器控制器，该逆变器控制器被设置成执行在第一方面中定义的方法。
可选地，该逆变器控制器还包括温度变化监视器。
可选地，该温度变化监视器包括温度计算模块。
可选地，该温度变化监视器包括温度测量部件。
可选地，该温度变化监视器被设置成对多个逆变器部件的温度进行测量。
可选地，该温度变化监视器包括温度纹波监视器，该逆变器控制器被设置成响应于所测量的和所计算的纹波温度来设置开关频率。
可选地，该温度变化监视器包括峰值温度监视器，该逆变器控制器被设置成响应于所测量的和所计算的峰值温度来设置开关频率。
根据第三方面，提供了一种包括该逆变器控制器的逆变器。
根据第四方面，提供了一种包括该逆变器的电机驱动器。
附图说明
现将参照附图通过示例对本发明的实施方式进行描述。在附图中：
图1为示出已知的逆变器的框图；
图2示出温度监视和控制的已知方法；
图3示出根据本发明实施方式的其中对温度纹波进行监视的方法；
图4为示出本发明实施方式的操作的流程图；
图5为示出用于纹波检测的改进的操作的IGBT温度对时间的曲线图；
图6示出针对使用纹波检测的实施方式和不使用纹波检测的实施方式的开关频率对时间的曲线图；
图7为已知方法的和本发明的温度纹波的循环数量对循环幅值的曲线图；
图8示出在电机的加速期间由逆变器所经历的电机电流幅值与电机频率的曲线图；
图9示出在电机的加速期间IGBT温度对时间的曲线图；
图10示出在电机的较慢加速期间IGBT温度对时间的曲线图；以及
图11示出根据本发明实施例的其中将IGBT纹波温度的值施加于滤波器的方法。
总体来说，提供了一种对温度变化或纹波温度和/或峰值温度进行监视并且根据所监视的纹波温度和/或峰值温度对逆变器的开关频率进行调整的逆变器控制器。这提高了例如如下应用中的逆变器的寿命：这些应用需要高的开关频率以限制声噪声，但能够容忍短时段或不寻常负载期间的较低开关频率，由于纹波温度的特性，这些时段将较可能出现在低的输出频率处。
具体实施方式
参照图3，更详细地示出了根据本发明的结构。应当指出，该结构适用于任何适当形式的逆变器。与图2的部件相同的部件使用相似的附图标记并且不再进行描述以避免重复。具体地，使用热模型或下面详细描述的其他方法，例如通过直接测量来实时地对温度纹波或表示温度纹波的信号进行测量，以用于与可接受的值Tripple threshold进行比较。例如根据应用可以适当地对于所有的逆变器设置Tripple threshold，对于具体的逆变器预先设置Tripple threshold或用户控制Tripple threshold以获得温度纹波的期望的最大值。
功率损耗模型202被配置成基于可得的所测量的操作条件（例如，操作电压）对逆变器中的或逆变器的具体部件中的功率损耗进行估计。该功率损耗与热敏电阻206的预先设置的或建模的值耦合以获得仿真的峰值温度或表示该峰值温度的信号，然后信号可以被转换成关于输出频率的峰值温度。这如先前的装置中一样允许装置对逆变器是否接近或处于故障温度进行评估，并且使得开关频率能够相应地下降以提供故障安全模式。
另外，根据本发明的实施方式，峰值温度被转换成纹波温度302，纹波温度302再次基于温度的变化的实时监视来提供温度纹波的值作为输出频率的函数。
然后温度纹波值304可以由温度评估模块216发送至开关频率控制以控制逆变器来保持纹波温度低于期望值Tripple threshold。
参照图4可以进一步理解根据一种实施方式所采用的步骤。
在步骤400，在电流开关频率νs下实时地测量电流纹波温度和峰值温度，或表示电流纹波温度和峰值温度的信号。如上面所描述的，可以以任何适当的方式对其进行评估或监视。例如，可以将部件的操作条件输入到具有另外的参数（例如，电流开关频率）的模型以识别建模的功率损耗，然后功率损耗可以与热敏电阻匹配。或者，可以直接监视温度或以不同的方式得出温度。然后可以实时地对温度变化进行监视以识别温度变化或者可以通过进一步的建模步骤对操作条件进行考虑以根据已知的操作参数识别温度纹波。在预定时间之后，例如，可以以温度监视器的采样率，例如可以每1ms对温度纹波和峰值装置温度进行计算。
在步骤401，将温度纹波与较低的温度纹波阈值T3和温度纹波阈值T1进行比较。也可以将峰值装置温度与较低的峰值温度阈值T4和峰值温度阈值T2进行比较。如果温度纹波在T3与T1之间，和/或峰值装置温度在T4与T2之间，那么过程循环返回至步骤400。如果温度纹波不在T3与T1之间，和/或峰值装置温度不在T4与T2之间，那么过程进行至步骤402。因此，如果温度纹波在T3与T1之间，和/或峰值装置温度在T4与T2之间，那么过程在步骤400与步骤401之间循环，直到不满足这些条件为止，然后进行至步骤402。
在步骤402，将峰值装置温度和温度纹波与峰值温度阈值T2和温度纹波阈值T1进行比较以首先确保装置没有接近故障温度，以使得系统能够在达到故障值之前将温度降低，并且其次确保操作不被温度纹波损害。具体地，如果峰值温度或温度纹波中的一个或两者超过其各自的阈值，那么在步骤404通过一个步骤适当地将频率减小至下一个最小值或保持在最小值并且过程循环返回至步骤400。如果在步骤402，峰值装置温度和/或温度纹波没有超过阈值T2和T1，那么如下面所描述的，该过程将温度纹波和操作优化。
在步骤403，对下一个较高的开关频率ν’下的峰值装置温度和温度纹波进行计算。例如，开关频率可以从最大值16kHz通过离散值8kHz、4kHz变动到最小值2kHz。
在步骤405，将关于下一个较高的频率ν’处的峰值装置温度和温度纹波值与峰值温度阈值T2和温度纹波阈值T1进行比较。这些阈值再次可以被预先设置，由操作员调节或依赖于应用或以任何其他方式被评估。如果峰值温度和温度纹波两者均小于他们各自的阈值，那么在步骤406将频率增加至下一个较高的值ν’或保持在最大值。因此，如果ν’提供可接受的等级的温度纹波，那么可以增大开关频率而非固定在当前开关频率。
从而，在将频率增大至下一个较高的频率ν’之前，首先计算是否在增大的频率ν’下将超过峰值装置温度阈值T2和温度纹波阈值T1（步骤405）。仅当将不超过这些阈值时，将开关频率增大至频率ν’。如果没有在将开关频率从ν增大ν’之前对增大的频率ν’下的峰值装置温度和温度纹波进行计算，那么开关频率从ν至ν’的增大可能导致峰值装置温度阈值T2和温度纹波阈值T1中的一个或两者被超过，因此系统将立即减小开关频率。这可导致系统在开关频率ν与ν’之间振荡，该振荡可以表示当增大开关频率时，峰值温度或温度纹波被增大到高于所需要的阈值。这将否定将峰值温度和/或温度纹波的水平保持得低于其各自阈值的目标。该振荡也可以增大逆变器的声噪声并且影响由逆变器操作的电机的控制系统，这将不是所期望的。为了避免这种振荡，应当将较低的阈值T3和T4设置的足够低以确保当增加开关频率时温度纹波和/或峰值装置温度不超过将导致开关频率的立即减小的其各自阈值T1和T2。
应当指出，在所描述的过程中也可以考虑输出频率。例如，在低的输出频率下，温度纹波较高但处于低的频率。因此仅当温度纹波已经以预定的时段持续为高时，可以进一步调整开关频率，其中该时段可以依赖于输出频率，随着输出频率增大而减小。
如果ν’处的峰值温度或温度纹波大于他们各自的阈值，那么在步骤408处保持当前开关频率。过程继续在整个操作中循环。然后该过程以在步骤408应用的开关频率再次从步骤400开始。
因此，结合其余的操作条件，如果温度纹波和/或峰值装置温度低于其各自阈值T1和T2，将开关频率保持在最大值，而仅当温度纹波超过T1和/或峰值装置温度超过T2时，开关频率降至低于最大开关频率，降至值νs。因此，操作被优化，同时通过管理温度纹波延长装置的寿命，同时保证设备保持在低于故障温度。而且，系统使得开关频率能够以一个最大温度纹波阈值T1多次减小或增大。
尽管图4中的步骤400至步骤408涉及峰值装置温度和温度纹波两者的测量和计算，替代地，可以仅测量和计算峰值装置温度。不受寿命问题影响的逆变器应用可以承受高的纹波温度。然而，这些应用仍然会要求峰值装置温度阈值不被超过，使得逆变器继续操作。因此，针对这些应用，可以测量和计算峰值装置温度。
在这种情况下，在步骤401将峰值装置温度与较低的阈值T4和阈值T2进行比较。如果峰值装置温度落入阈值T4和T2之内，则过程循环返回步骤400。如果峰值装置温度没有落入阈值T4和T2之内，则在步骤402将峰值装置温度与峰值装置温度阈值T2进行比较。如果峰值装置温度超过峰值装置温度阈值T2，则在步骤404通过一个步骤适当地将频率减小至下一个最小值或保持在最小值，并且过程循环返回步骤400。如果在步骤402峰值装置温度没有超过阈值T2，则过程继续至步骤403，其中对下一个较高的频率ν’下的峰值装置温度进行计算。在步骤405将针对较高的频率ν’计算的峰值装置温度与峰值装置温度阈值T2进行比较。如果峰值装置温度小于峰值装置温度阈值T2，那么在步骤406将频率增大至下一个较高的值ν’或保持在最大值。如上文所讨论的，并且以相同的方式，期望避免振荡。这通过在增大开关频率之前对较高的开关频率ν’下的峰值装置温度进行计算来实现，并且仅当峰值装置温度阈值T2没有被超过时，将开关频率增大至频率ν’。
应当理解的是，逆变器可以包括多个部件，例如，多个IGBT和多个二极管。可以将温度监视应用于作为整体的装置或应用于各个部件。其中，例如，通过对每个部件处的温度进行检测或通过将每个部件的操作条件输入至功率损耗模型来将温度监视应用于各个部件，该方法可以进一步被优化。例如，可以根据使得逆变器中的最热的或最高的温度纹波装置（IGBT或二极管）的（在线计算的）稳态纹波温度的最高的温度下工作的部件得出Tripple和Tpeak的值以控制开关频率，使得与温度的绝对值无关地减小温度纹波，因此增加逆变器的寿命，同时实现逆变器的优化的操作。
参照图5至图7，例如针对3.2Hz的固定输出频率下的两秒过载，可以理解其中装置的操作被改进的方式。如从图5中可以看到的，在没有启用纹波检测的情况下，观察到部件温度的显著变化（曲线500），即使没有达到最大操作温度，该变化也可以导致装置的过早故障。相反，在根据本发明启用纹波检测的情况下，温度纹波的绝对幅值（曲线502）以及最大操作温度减小。在没有过载的条件下（在两秒之后），操作集中于通常操作。
从图6可以看到针对两秒过载时段应用的开关频率的变化。具体地，由于还没有达到峰值温度阈值，在没有纹波检测的实施方式中的整个操作中将开关频率保持在固定值。然而，如图5所示，这引起温度的明显摆动，其降低寿命。相反，使用602处应用的纹波检测，装置基于建模的温度纹波在过载期间减小开关频率以如图5中502处所示减小温度纹波，因此延长寿命。当温度纹波下降到可接受的水平，那么最大开关频率恢复到上面所表示的。
参照图7，使用本技术领域普通技术人员熟知且在此不详细描述的雨流算法计算，对根据现有技术的与根据本发明的方法的温度摆动的数量和幅值进行比较。具体地，可以看到与启用纹波检测的方法（曲线702）相比，对于其中没有设置纹波检测的实施方式（曲线700），小幅值和大幅值的循环的数量较大。
通常仅当逆变器的操作条件恒定时，温度纹波才是恒定的。系统可以是动态的，因此持续地变化，并且多于一个变量会影响纹波温度。如果这些变量中的任何一个要变化，那么纹波温度也可以变化。图8中示出了两个示例变量，电机电流幅值和电机频率。图8的曲线示出了在电机的加速期间由逆变器所经历的电机电流幅值802和电机频率804。对于电机电流幅值802和电机频率804，例如，在2秒之后达到峰值电机频率。在图8中由标签801和803分别示出了在电机的加速期间由逆变器所经历的电机电流幅值和电机频率。对于电机电流幅值801和电机频率803，例如，在1秒之后达到峰值电机频率。
例如，功率损耗模型202可以基于可得的所测量的操作条件（例如，电机电流幅值802或电机频率804）来估计IGBT内的功率损耗。功率损耗模型202可以与IGBT的热敏电阻206的预先设置的或建模的值耦合以获得仿真的峰值IGBT温度，并且仿真的峰值IGBT温度可以如先前所描述的被转换成IGBT纹波温度并且示于图9和图10中。基于保持恒定的操作条件来计算峰值IGBT温度和IGBT稳态纹波幅值。图9和图10基于图8的轮廓线（分别为801和803以及802和804）示出了IGBT温度对时间的曲线。图9中示出了IGBT稳态纹波温度904和峰值IGBT温度902。在图10中示出了IGBT稳态纹波温度1004和峰值IGBT温度1002。
在图9和图10两者中，当输出频率低时IGBT纹波温度很高（110摄氏度）。在关于图3至图7描述的实施方式中，这一高的IGBT纹波温度将导致开关频率的立即减小以确保IGBT纹波温度低于温度纹波阈值T1。然而，由于IGBT的热时间常数，IGBT纹波温度在减小开关频率之前不会达到恒定值。因此，在某些情况下，会不必要地减小开关频率。
在该情况下，可以通过将用于减小开关频率的IGBT纹波温度的值应用于滤波器来进一步改进开关频率控制。图9和图10示出了在IGBT稳态纹波温度904和1004已经被应用于滤波器之后的经滤波的IGBT稳态纹波温度906和1006。可以看到，经滤波的IGBT稳态纹波温度906和1006非常接近于IGBT稳态纹波温度904和1004。因此，将IGBT纹波温度应用于滤波器确保更接近于峰值IGBT温度的温度用于控制开关频率。这防止了在由于IGBT的热时间常数，IGBT纹波温度非常高但IGBT实时装置温度不那么高的情况下的开关频率变化。可以选择滤波器的参数以匹配IGBT特性、应用需求，并且如果需要也可以禁用滤波器的参数。
图11示出了图3的系统中的滤波器1102。在该实施方式中，IGBT纹波温度值304在由温度评估模型216发送至开关频率控制204之前首先通过滤波器1102以控制逆变器将经滤波的纹波温度保持在低于温度纹波阈值T1。滤波器1102可以是包括电容器的系统以平滑温度纹波值304的峰值和波谷。滤波器可以替代地为一阶滤波器，如本领域普通技术人员将理解的，一阶滤波器可以在每次频率加倍时将信号幅度减小一半。例如，可以在固件中实现滤波器。
尽管已经关于逆变器的具体部件IGBT描述了图8至图11的实施方式，本领域技术人员将会理解，可替代地可以监视任何部件的温度，包括作为整体的逆变器的温度。
因此，将会看到的是，所描述的发明提供关于其中即使没有达到峰值操作温度也将温度纹波保持在低于所期望的值的逆变器的改进的操作架构，因此延长了操作。另一方面，除非温度纹波超过阈值并且峰值温度也超过阈值，否则将开关频率保持在最大的期望水平，使得仍然获得最佳操作。另外，通过监视各个部件的温度，可以将“最热的部件”保持在优选的操作范围内，因此减小了各个内部部件故障的风险。
应当理解的是，适当地使用软件控制的硬件以及使用温度和温度纹波计算的任何装置，可以将该方法应用于任何类型的逆变器部件。峰值温度、峰值温度纹波、最大的开关频率和有限开关频率等的阈值可以被预先设置、建模、由操作员输入、依赖于应用或装置或以任何其他适当的方式被选择。

Claims (23)

1.一种控制逆变器的开关频率的方法，所述方法包括以下步骤：
对表示第一开关频率下的温度变量的信号进行测量，以确定所测量的温度变量；
将所测量的温度变量与第一阈值进行比较；
确定所测量的温度变量是否大于所述第一阈值；
如果所测量的温度变量不大于所述第一阈值，则计算第二开关频率下的所述温度变量；以及
如果在所述第二开关频率下计算的所述温度变量小于所述第一阈值，则将所述逆变器的所述开关频率设置为所述第二开关频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，比较所测量的温度变量的步骤包括将所测量的温度变量与所述第一阈值和第二阈值进行比较，并且如果所测量的温度变量不在所述第一阈值与所述第二阈值之间，所述方法进行到确定所测量的温度变量是否大于所述第一阈值的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果所测量的温度变量在所述第一阈值与所述第二阈值之间，则在预定时间之后再次确定所测量的温度变量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定时间为温度变化监视器的采样率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一阈值高于所述第二阈值。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一阈值和所述第二阈值使得：如果所测量的温度变量低于所述第二阈值，则在所述第二开关频率下计算的所述温度变量低于所述第一阈值。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，如果所测量的温度变量大于所述第一阈值，则所述方法还包括减小所述开关频率的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，减小所述开关频率包括将所述开关频率减小至下一个最低开关频率或减小至最小开关频率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，如果所述开关频率处于最小开关频率，则减小所述开关频率的步骤包括将所述开关频率保持在最小开关频率。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二开关频率高于所述第一开关频率。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对表示温度变量的信号进行测量包括对表示所述逆变器的温度变量的信号或表示所述逆变器的部件的温度变量的信号进行测量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，对表示温度变量的信号进行测量包括对所述逆变器的具有最大温度变量的部件进行测量。
13.根据权利要求根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述温度变量包括温度纹波和/或峰值温度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，计算所述温度变量的步骤包括在线计算所述温度。
15.一种被设置成来执行前述任一项权利要求所述的方法的逆变器控制器。
16.根据权利要求15所述的逆变器控制器，还包括温度变化监视器。
17.根据权利要求16所述的逆变器控制器，其特征在于，所述温度变化监视器包括温度计算模块。
18.根据权利要求16或17所述的逆变器控制器，其特征在于，所述温度变化监视器包括温度测量部件。
19.根据权利要求16或17所述的逆变器控制器，其特征在于，所述温度变化监视器被设置成对多个逆变器部件的温度进行测量。
20.根据权利要求16或17所述的逆变器控制器，其特征在于，所述温度变化监视器包括温度纹波监视器，所述逆变器控制器被设置成响应于所测量的和所计算的纹波温度来设置所述开关频率。
21.根据权利要求16或17所述的逆变器控制器，其特征在于，所述温度变化监视器包括峰值温度监视器，所述逆变器控制器被设置成响应于所测量的和所计算的峰值温度来设置所述开关频率。
22.一种包括根据权利要求15至21中任一项所述的逆变器控制器的逆变器。
23.一种包括根据权利要求22所述的逆变器的电机驱动器。
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