CN107515321B - 恒流源控制系统和缩短恒流源的输出电流响应时间的方法 - Google Patents

Abstract

一种缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，包括以下步骤：a，自学习获取负载阻抗值Z：通过PI调节，在恒流源的输出电流达到预定电流值并保持平稳后，获取当前的预定电流值Icur，恒流源直流母线电压值Vbus和当期的SPWM调节的占空比值M1；根据公式：Z＝Vbus*M1/Icur，计算得出负载阻抗值Z；b，在后续的恒流源输出中，根据步骤a获取的负载阻抗值Z，以及设定电流值Iset，直接计算出SPWM调节的占空比值M，然后按照计算好的占空比值M输出设定电流，计算公式如下：M＝Iset*Z/Vbus；式中：Iset为设定电流值，Vbus为恒流源直流母线电压值。本发明还提供了一种恒流源控制系统。

Description

恒流源控制系统和缩短恒流源的输出电流响应时间的方法

技术领域

本发明涉及低压电器领域，特别涉及一种恒流源控制系统和缩短恒流源的输出电流响应时间的方法。

背景技术

在断路器可靠性试验设备中，试验电源的稳定性、输出电流精确是保证测试可靠的基础。否则，无论是在断路器出厂试验还是型式试验中，都会因为测试电源的波动使校验后的产品存在误判的可能(即合格品被判为不合格，而不合格品被判为合格)，故恒流源是断路器特性检测设备中的核心装置，在此之前均采用电工式恒流源，由于其可靠性、精度、电气特性等相对于电子式较差，已不适于现在断路器特性检测设备的需求，已逐渐被市场淘汰。

伴随着电力电子领域的发展，目前国内开始有少数几家专业电源厂家开始研发、生产恒流源，但电源的稳定性、精度等都有待进一步提高，且输出电流响应速度较慢(需要2～3个周期的调节时间)，电流源及外围配件较复杂，现场工艺要求比较高，很难适用各种复杂的现场环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种缩短恒流源的输出电流响应时间的方法以及恒流源控制系统，可实现输出电流第一个波形即可达到设定电流，保证了输出电流的一致性和稳定性，及瞬时脱扣测试的准确性。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，包括以下步骤：

a，自学习获取负载阻抗值Z：通过PI调节，在恒流源的输出电流达到预定电流值并保持平稳后，获取当前的预定电流值Icur，恒流源直流母线电压值Vbus和当期的SPWM调节的占空比值M1；

根据公式：

Z＝Vbus*M1/Icur，计算得出负载阻抗值Z；

b，在后续的恒流源输出中，根据步骤a获取的负载阻抗值Z，以及设定电流值Iset，直接计算出SPWM调节的占空比值M，然后按照计算好的占空比值M输出设定电流，

计算公式如下：

M＝Iset*Z/Vbus；

式中：Iset为设定电流值；

Vbus为恒流源直流母线电压值。

进一步，在步骤b中还需要进行抑制变压器励磁涌流处理。

进一步，所述抑制变压器励磁涌流处理的步骤包括：从零电流开始启动抑制励磁涌流电流Ire，通过PI调节，使得输出电流平稳的上升到抑制励磁涌流电流Ire；然后将输出SPWM调制波的占空比切换到计算好的占空比值M。

进一步，所述PI调节的步骤包括：当反馈与给定出现偏差时，持续调节调节量，直到没有偏差；

PI调节公式如下，PI调节输出值＝上次PI调节输出值+([KP*(设定值-电流采样值-上次偏差)/10+KI*(设定值-电流采样值)/10]＜＜4)

式中，＜＜4为二进制位移四位，KP为比例增益值，KI为积分增益值。

一种恒流源控制系统，包括整流模块，储能模块，逆变模块，LCL滤波器，降压升流变压器，CPU主控制模块和电流检测模块，所述整流模块的输出端与储能模块的输入端连接，整流模块将交流电整流为直流电输出给储能模块，储能模块的输出端与逆变模块的输入端连接，逆变模块的输出端与LCL滤波器的输入端连接，LCL滤波器对逆变模块输出的SPWM进行滤波，LCL滤波器的输出端与降压升流变压器的输入端连接，CPU主控制模块与整流模块，储能模块和逆变模块连接；还包括电流检测模块，电流检测模块待测负载连接，对待测负载电流进行实时采集，对采集到的电流信号进行处理，电流检测模块的输出端与CPU主控制模块连接，将处理后的电流信号输出到CPU主控制模块内进行ADC模数转换处理，CPU主控制模块根据反馈信号调节逆变模块输出电流，从而实现对输出电流的实时调节。

进一步，所述CPU主控制模块包括主控制芯片、母线电压检测电路、驱动及电源电路和逆变模块输出端电流检测电路；所述母线电压检测电路的输入端与整流模块的输出端连接，母线电压检测电路的输出端与主控制芯片连接，驱动及电源电路的输入端与主控制芯片连接，驱动及电源电路的输出端与逆变模块连接，逆变模块输出端电流检测电路的输入端与逆变模块的输出端连接，逆变模块输出端电流检测电路的输出端与主控制芯片连接。

进一步，电流检测模块包括电流采样电路，所述电流采样电路包括运算放大器U10、电容C63、电容C61、电阻R118、电阻R123、电阻R124、电阻R119、电容C60、电阻R120、电阻R125、电阻R127和电容C62；电容C63的两端与待测负载连接，电容C61的一端与待测负载连接，另一端接地，电阻R118的一端连接至与待测负载，电阻R123、电阻R124和电容C60的并联后，电阻R123的一端与电阻R118的另一端连接，电容C60的一端连接至运算放大器U10的正向输入端，电阻R119的两端连接至电阻R124的一端和电容C60的一端，电阻R124的另一端接地，电阻R127的一端与运算放大器U10的反相输入端连接，电阻R127的另一端接地，电阻R120的一端与运算放大器U10的输出端连接，另一端连接至CPU主控制模块，电阻R125的一端与运算放大器U10的反相输入端连接，另一端与电阻R120的另一端连接；电容C62的一端与电阻R120的另一端连接，另一端接地。

进一步，所述电流检测模块包括接口J7，电流检测模块通过接口J7与与待测负载连接。

进一步，所述CPU主控制模块还包括操作面板，端子控制和RS485通信；操作面板，端子控制和RS485通信分别与主控制芯片连接；恒流源控制系统可通过操作面板或者RS485通信获取或修改参数，可通过控制操作面板或者端子控制或者RS485通信对恒流源执行启停操作。

本发明缩短恒流源的输出电流响应时间的方法通过预设输出电流来获取负载阻抗值，再通过计算得出在设定电流状态下的准确的占空比值M，在不增加硬件、外围配件基础上，可实现输出电流第一个波形即可达到设定电流，保证了输出电流的一致性和稳定性以及瞬时脱扣测试的准确性。本发明还提供了一种恒流源控制系统。

附图说明

图1是本发明恒流源控制系统的结构框图；

图2是本发明恒流源控制系统的原理图；

图3是本发明电流采样电路的电路图；

图4是本发明比例增益影响示意图；

图5是本发明积分增益KI对系统影响示意图；

图6是本发明PI偏差最大极限示意图；

图7是本发明缩短恒流源的输出电流响应时间的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图1至7给出的实施例，进一步说明本发明的恒流源控制系统和缩短恒流源的输出电流响应时间的方法的具体实施方式。本发明的恒流源控制系统和缩短恒流源的输出电流响应时间的方法不限于以下实施例的描述。

如图1所示，一种恒流源控制系统，包括整流模块，储能模块，逆变模块，LCL滤波器，降压升流变压器，CPU主控制模块和电流检测模块，所述整流模块的输出端与储能模块的输入端连接，整流模块将交流电整流为直流电输出给储能模块，储能模块的输出端与逆变模块的输入端连接，逆变模块的输出端与LCL滤波器的输入端连接，LCL滤波器对逆变模块输出的SPWM进行滤波，LCL滤波器的输出端与降压升流变压器的输入端连接，CPU主控制模块与整流模块，储能模块和逆变模块连接；还包括电流检测模块与待测负载连接，对待测负载电流进行实时采集，电流检测模块的输出端与CPU主控制模块连接，将处理后的电流信号输出到CPU主控制模块内进行ADC模数转换处理，CPU主控制模块根据反馈信号调节逆变模块输出电流，从而实现对输出电流的实时调节。

如图2所示，所述CPU主控制模块包括主控制芯片、母线电压检测电路、驱动及电源电路和逆变模块输出端电流检测电路，所述母线电压检测电路的输入端与整流模块的输出端连接，母线电压检测电路的输出端与主控制芯片连接，驱动及电源电路的输入端与主控制芯片连接，驱动及电源电路的输出端与逆变模块连接，逆变模块输出端电流检测电路的输入端与逆变模块的输出端连接，逆变模块输出端电流检测电路的输出端与主控制芯片连接。还包括操作面板，操作面板的输出端与主控制芯片连接。所述CPU主控制模块还包括操作面板，端子控制和RS485通信；操作面板，端子控制和RS485通信分别与主控制芯片连接；恒流源控制系统可通过操作面板或者RS485通信获取或修改参数，可通过控制操作面板或者端子控制或者RS485通信对恒流源执行启停操作；所述操作面板上设有LED数码管、LED状态指示灯和数据单位指示灯、按键。主控制芯片通过电流检测模块获取恒流源输出的电流值，通过母线电压检测电路可以获取当前的直流母线电压值Vbus，通过驱动及电源电路调节逆变模块输出的SPWM的占空比M，通过逆变模块输出端电流检测电路可以检测变压器原边电流，即恒流源实际输出电流值，以便用于检测恒流源是否过流或出现过载。电流检测板上电流检测电路是用于检测负载侧(变压器次级边)电流，即用于检测实际负载上的电流，用于检测负载端电流是否达到设定值。

如图2所示，恒流源内部原理图。恒流源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换，输出为纯净的正弦波，输出频率和电压一定范围内可调。整流模块是一个三相AC/DC变换电路，功能是把市电交流(AC380V/50Hz或AC220V/50Hz)的电源进行整流成直流电源供给逆变电路，整流模块对电网污染进行双向隔离，以提高整机的电磁兼容性能。逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DC/AC的功率变换，即在CPU主控制器模块的控制下把直流电源转换成三相SPWM波形供给后级LCL滤波电路，形成标准的正弦波。功率器件采用IGBT功率模块，电路简单，可靠性高，整机工作效率高。滤波电路是用来滤除干扰和无用信号，使输出为标准正弦波。CPU主控制器模块可以检测输出母线电压(直流电压)、输出电流、调节输出正弦波的频率和电压值。CPU主控制器模块的主控制芯片采用DSP芯片，也可以采用微处理器。

具体地，整流模块，储能模块、逆变模块为一个变频器内部组成部分。整流模块，储能模块和逆变模块可以采用现有成熟的变频器技术，将已经成熟的变频器技术进行设计，做在恒流源的机壳内部。LCL滤波器，采用电抗器和电容组合而成的一套LCL滤波，对逆变模块输出的SPWM进行正弦滤波，使得输出电流达失真度满足技术要求(THD＜2％)的正弦波。降压升流变压器将实际输出电流放大，并将输出电压降至≤24的低压范围。

如图3所示，电流检测模块包括电流采样电路，用于将输出的电流值反馈到主控制芯片，所述电流采样电路包括运算放大器U10、电容C63、电容C61、电阻R118、电阻R123、电阻R124、电阻R119、电容C60、电阻R120、电阻R125、电阻R127和电容C62；电容C63的两端与待测负载连接，电容C61的一端与待测负载连接，另一端接地，电阻R118的一端连接至待测负载，电阻R123、电阻R124和电容C60的并联后，电阻R123的一端与电阻R118的另一端连接，电容C60的一端连接至运算放大器U10的正向输入端，电阻R119的两端连接至电阻R124的一端和电容C60的一端，电阻R124的另一端接地，电阻R127的一端与运算放大器U10的反相输入端连接，电阻R127的另一端接地，电阻R120的一端与运算放大器U10的输出端连接，另一端连接至CPU主控制模块，电阻R125的一端与运算放大器U10的反相输入端连接，另一端与电阻R120的另一端连接；电容C62的一端与电阻R120的另一端连接，另一端接地。特别地，电流检测模块包括接口J7，电流检测模块通过接口J7与待测负载连接。电流检测模块为一张外部扩展的设有接口的电流采集卡，安装方便快捷。

如图7所示，本发明缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，包括以下步骤：a，自学习获取负载阻抗值Z：先通过电流PI调节，输出电流达到预定值并保持平稳后，获取当前的预定电流值Icur，直流母线电压值Vbus和当期的SPWM调节的占空比值M1；

根据公式：

Z＝Vbus*M1/Icur，计算得出负载阻抗值Z；

b，在后续的恒流源输出中，根据步骤a获取的负载阻抗值Z，以及设定电流值Iset，直接计算出SPWM调节的占空比值M，然后按照计算好的占空比值M输出设定电流，

计算公式如下：

M＝Iset*Z/Vbus；

式中：Iset为设定电流值；

Vbus为恒流源直流母线电压值。

本发明缩短恒流源的输出电流响应时间的方法通过预设输出电流来获取负载阻抗值，再通过计算得出在设定电流状态下的准确的占空比值M，在不增加硬件、外围配件基础上，实现了实际输出电流第一个波形即可达到设定电流，保证了输出电流的一致性和稳定性以及瞬时脱扣测试的准确性。

具体地，母线电压是储能模块两端的电压，即恒流源的母线电压(也是变频器母线电压值)，理论值是市电电源电压值的

倍(即：AC380V对应573V，AC220V对应311V)。电流PI调节输入量是通过采集到电流值，电流PI调节输出量是SPWM输出波形所需要用到的占空比M1，故此处提到“当期的SPWM调节的占空比值M1”是输出电流达到预定值并保持平稳后，PI调节的输出量(M1)，在根据如下公式计算出获取自学习的负载阻抗值Z。

如图7所示，具体地，缩短恒流源的输出电流响应时间的方法：先对负载阻抗进行自学习操作，记录负载阻抗值，再根据负载阻抗值、设定电流值等算出SPWM占空比，紧接着执行抑制变压器励磁涌流处理，最后按照前面算好的占空比输出实际电流。

第一步：对负载总阻抗进行自整定，该负载阻抗是从逆变模块输出端开始计算，含：LCL滤波器、变压器、线材内阻、实际负载内阻等综合的一个总阻抗值(Z)，负载阻抗自学习采取方法如下：

先通过PI调节，将输出电流达到设定值并保持平稳后，获取当前的直流母线电压值Vbus。

获取当期的SPWM调节的占空比值M。

根据公式：

Z＝Vbus*M/Icur。

式中：M为占空比。

Z为自学习到的负载阻抗值。

Vbus为恒流源直流母线电压值。

Icur为当前的电流值。

当前的电流值Icur，可以根据参数设定值，以便整定过程中保证断路器不会自动脱扣。

第二步：启动前，先根据所先前负载自整定得到的负载总阻抗值Z，及设定输出电流Iset，计算出SPWM调节的占空比M。

计算公式如下：

M＝Iset*Z/Vbus

式中：M为占空比。

Z为自学习到的负载阻抗值。

Vbus为恒流源直流母线电压值。

Iset为设定的电流值。

第三步：因变压器空载(或小负载)启动时，电源电压突变会出现励磁涌流效应，其电流是额定电流的8～10倍，容易导致恒流源报过流故障，故刚启动的时先做抑制励磁涌流相关处理。

第四步：按照事先计算好的占空比(M)输出电流波形，在其基础上进行PID调节处理。

通过以上几个步骤，恒流源的输出电流波形可第一个输出电流值达到所设定电流值，缩短了电流的响应时间。

因变压器在市电供电情况下，启动时刻变压本身会产生“励磁涌流”效应，导致启动时刻启动电流很大，甚至导致相关器件报过流故障，本发明抑制“励磁涌流”采用如下方法：从零电流(无电流状态)开始启动抑制励磁涌流电流Ire，Ire抑制励磁涌流电流是一个电流有效值(RMS)较小的交流电(电流有效值(RMS)为恒流源额定电流的2％左右，此时变压器二次侧输出电流较小，不会对实际负载主回路上的待测试产品产生不良作用)，整个启动过程是通过软件算法实现的电流PI调节，使得输出电流可以平稳的上升到抑制励磁涌流电流Ire。整个“抑制励磁涌流”过程的时间值可通过参数进行设定(主要目的是适应不同规格和类型的变压器，可能所需的时间有所差异)。当抑制励磁涌流时间到达且输出交流电流角度θ等于π(180°)时，则将输出SPWM调制波的占空比切换到设定给定值占空比M，占空比M是按照负载阻抗值Z及设定电流值Iset通过计算公式换算出来的取值。通过上述方法，可大大减少变压器的励磁涌流，起到了良好的抑制励磁涌流作用，同时提高了恒流源启动响应时间及输出电流精度。

如图1所示，CPU主控制器模块经过PI调节电流闭环控制，通过电流检测模块将检测到电流信号通过电流检测模块进行信号处理处理后传送到CPU主控制器模块上，CPU主控制器模块上再进行ADC采样，并换算成电流的有效值(RMS)，再设计电流进行比较，如果存在偏差，则通过软件实现PI调节。所谓PI调节(PI是比例、积分的简称)，主要是针对实际采集到的电流值与设定电流值之间的偏差值Err进行调节。恒流源内置了电流PI闭环控制，需要设定相应的PI调节参数，才能达到最佳的调节效果。关于PI调节详细描述如下：

如图4所示，比例增益Kp：当反馈与给定出现偏差时，输出与偏差成比例调节，若偏差恒定，则调节量也恒定。比例调节可以快速响应反馈的变化，但单纯用比例调节无法做到无差控制。比例增益越大，系统的调节速度越快，但若过大容易产生振荡。

如图5所示，积分增益Ki：当反馈与给定出现偏差时，输出调节量连续累加，如果偏差持续存在，则调节量持续增加，直到没有偏差，积分调节器可以有效地消除静差。Ki过大则会出现反复的超调，使系统一直不稳定，直到产生振荡。

如图6所示，PI偏差最大极限：系统输出值相对于给定值允许的最大偏差量，当电流反馈量在此范围内时，电流闭环调节器停止调节。此功能的适当设置有助于兼顾系统输出的精度和稳定度。

PI调节的公式如下：PI调节输出值＝上次PI调节输出值+([KP*(设定值-电流采样值-上次偏差)/10+KI*(设定值-电流采样值)/10]＜＜4)。式中，＜＜4为二进制位移四位，KP为比例增益值，KI为积分增益值，电流采样值由上述逆变模块输出端电流检测电路直接检测获得。然后保存本次的偏差值和PI调节输出值便于下次PI调节使用，上次偏差＝设定值-电流采样值，上次PI调节输出值＝PI调节输出值。

本发明缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，在用恒流源控制系统在对同一检测要求的产品进行检测时，只需在进行第一次检测前进行自学习获取负载阻抗值Z，后续的检测中，直接采用学习到的负载阻抗值Z计算得到SPWM调节的占空比，直接输出电流波形。当对不同的产品进行检测时，在检测前只需重新对该产品进行自学习来获取负载阻抗值Z即可。采用本发明的缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，在第一波形即可达到设定电流，保证了输出电流的一致性和稳定性，及瞬时脱扣测试的准确性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，包括以下步骤：

a，自学习获取负载阻抗值Z：通过PI调节，在恒流源的输出电流达到预定电流值并保持平稳后，获取当前的预定电流值Icur，恒流源直流母线电压值Vbus和当期的SPWM调节的占空比值M1；

根据公式：

Z＝Vbus*M1/Icur，计算得出负载阻抗值Z；

b，在后续的恒流源输出中，启动前，根据步骤a获取的负载阻抗值Z，以及设定电流值Iset，直接计算出SPWM调节的占空比值M，然后按照计算好的占空比值M输出设定电流，

计算公式如下：

M＝Iset*Z/Vbus；

式中：Iset为设定电流值；

Vbus为恒流源直流母线电压值。

2.根据权利要求1所述的缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，包括以下步骤：在步骤b中还需要进行抑制变压器励磁涌流处理。

3.根据权利要求2所述的缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，所述抑制变压器励磁涌流处理的步骤包括：从零电流开始启动抑制励磁涌流电流Ire，通过PI调节，使得输出电流平稳的上升到抑制励磁涌流电流Ire；然后将输出SPWM调制波的占空比切换到计算好的占空比值M。

4.根据权利要求1所述的缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，所述PI调节的步骤包括：当反馈与给定出现偏差时，持续调节调节量，直到没有偏差；

PI调节公式如下，PI调节输出值＝上次PI调节输出值+([KP*(设定值-电流采样值-上次偏差)/10+KI*(设定值-电流采样值)/10]<<4)

式中，<<4为二进制位移四位，KP为比例增益值，KI为积分增益值。

5.一种恒流源控制系统，其特征在于：采用权利要求1-4任一所述的缩短恒流源的输出电流响应时间的方法，包括整流模块，储能模块，逆变模块，LCL滤波器，降压升流变压器，CPU主控制模块和电流检测模块，所述整流模块的输出端与储能模块的输入端连接，整流模块将交流电整流为直流电输出给储能模块，储能模块的输出端与逆变模块的输入端连接，逆变模块的输出端与LCL滤波器的输入端连接，LCL滤波器对逆变模块输出的SPWM进行滤波，LCL滤波器的输出端与降压升流变压器的输入端连接，CPU主控制模块与整流模块，储能模块和逆变模块连接；还包括电流检测模块，电流检测模块用于与待测负载连接，对待测负载电流进行实时采集，对采集到的电流信号进行处理，电流检测模块的输出端与CPU主控制模块连接，将处理后的电流信号输出到CPU主控制模块内进行ADC模数转换处理，CPU主控制模块根据反馈信号调节逆变模块输出电流，从而实现对输出电流的实时调节。

6.根据权利要求5所述的恒流源控制系统，其特征在于：所述CPU主控制模块包括主控制芯片、母线电压检测电路、驱动及电源电路和逆变模块输出端电流检测电路；所述母线电压检测电路的输入端与整流模块的输出端连接，母线电压检测电路的输出端与主控制芯片连接，驱动及电源电路的输入端与主控制芯片连接，驱动及电源电路的输出端与逆变模块连接，逆变模块输出端电流检测电路的输入端与逆变模块的输出端连接，逆变模块输出端电流检测电路的输出端与主控制芯片连接。

7.根据权利要求5或6所述的恒流源控制系统，其特征在于：电流检测模块包括电流采样电路，所述电流采样电路包括运算放大器U10、电容C63、电容C61、电阻R118、电阻R123、电阻R124、电阻R119、电容C60、电阻R120、电阻R125、电阻R127和电容C62；电容C63的两端与待测负载连接，电容C61的一端与待测负载连接，另一端接地，电阻R118的一端连接至与待测负载，电阻R123、电阻R124和电容C60的并联后，电阻R123的一端与电阻R118的另一端连接，电容C60的一端连接至运算放大器U10的正向输入端，电阻R119的两端连接至电阻R124的一端和电容C60的一端，电阻R124的另一端接地，电阻R127的一端与运算放大器U10的反相输入端连接，电阻R127的另一端接地，电阻R120的一端与运算放大器U10的输出端连接，另一端连接至CPU主控制模块，电阻R125的一端与运算放大器U10的反相输入端连接，另一端与电阻R120的另一端连接；电容C62的一端与电阻R120的另一端连接，另一端接地。

8.根据权利要求7所述的恒流源控制系统，其特征在于：所述电流检测模块包括接口J7，电流检测模块通过接口J7与与待测负载连接。

9.根据权利要求6所述的恒流源控制系统，其特征在于：所述CPU主控制模块还包括操作面板，端子控制和RS485通信；操作面板，端子控制和RS485通信分别与主控制芯片连接；恒流源控制系统可通过操作面板或者RS485通信获取或修改参数，可通过控制操作面板或者端子控制或者RS485通信对恒流源执行启停操作。

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