CN110768546B - 一种单相整流器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单相整流器及其控制方法；单相整流器包括：二极管单相桥，用于将交流输入电流整流为直流电流；二极管单相桥的输出连接到boost半桥的桥臂中点；boost半桥，boost半桥包括串联的一个快恢复二极管和一个全控型器件；用于将交流输入电流的波形控制为正弦；直流电容，直流电容与boost半桥并联；控制器，用于将交流输入电流变换为不同频率的多相电流，再对多相电流分别进行谐波控制；并通过多相坐标变换得到电压给定值，并转换成控制脉冲发送至所述boost半桥。采用本发明提供的方案，使用一种虚拟多相的方式，实现对各次谐波的单独抑制。

Description

一种单相整流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及轨道交通车载设备领域，具体而言，涉及一种单相整流器及其控制方法。
背景技术
辅助变流器是轨道车辆(机车、动车)的重要车载设备，其为列车牵引以外的辅助负载提供三相交流电源。图1示出了辅助变流器在车辆中的示意图。传统上，常用一种牵引变压器中集成辅助绕组的方式为辅助变流器供电。辅助变流器包含了一个整流器和一个三相逆变器。图2示出了现有技术中采用的整流器的示意图。这种方式中的辅助负载通常都不存在功率回馈的工况，因此整流器并不需要回馈功能。
发明人认为，传统的整流器控制方法，对低次谐波的抑制能力通常有限。
发明内容
本发明提供一种单相整流器及其控制方法，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种单相整流器，包括：二极管单相桥，用于将交流输入电流整流为直流电流；二极管单相桥的输出连接到boost半桥的桥臂中点；boost半桥，boost半桥包括串联的一个快恢复二极管和一个全控型器件；用于将交流输入电流的波形控制为正弦；直流电容，直流电容与boost半桥并联；控制器，用于将交流输入电流变换为不同频率的多相电流，再对多相电流分别进行谐波控制；并通过多相坐标变换得到电压给定值，并转换成控制脉冲发送至boost半桥。
可选地，控制器包括：电流虚拟多相模块，用于将交流输入电流变换为不同频率的多相电流；接触网电压相位观测模块，用于获取接触网电压的相位，以为坐标变换提供角度；多相坐标变换模块，用于通过多相坐标变换，根据接触网电压的相位，将多相电流中的基波电流和各次谐波电流，分别映射到同步速旋转和倍数同步速旋转的多个正交平面上；并对电流闭环模块产生的一组电压进行多相坐标变换，得到电压给定值；电流闭环模块，用于对基波电流平面的高次谐波进行抑制，对各次谐波平面中的各次谐波进行抑制，并产生一组电压，输入至多相坐标变换模块；直流电压闭环模块，用于调节基波电流的第二分量给定值；单位功率因数控制指令模块，用于根据基波电压第一给定值和第二给定值的比例和基波电流的第二分量给定值，生成基波电流的第一分量给定值；脉冲生成模块，用于根据多相坐标变换模块得到的电压给定值和采样得到的直流电压值，计算得到占空比，并将占空比转换为控制脉冲发送至boost半桥。
可选地，电流虚拟多相模块用于将交流输入电流进行相位延迟以获得多相电流，或者构造交流输入电流的移相函数以获得多相电流。
可选地，当多相电流为6相电流时，在通过多相坐标变换，将基波电流和各次谐波电流，分别映射到同步速旋转和倍数同步速旋转的多个正交平面上时，多相坐标变换模块用于：将6相电流从自然坐标系变换到6相静止正交坐标系，坐标变换矩阵记做Tαβ6/abc6；然后变换到6相同步旋转坐标系上，坐标变换矩阵记做Tdq6/αβ6；多相坐标变换过程如下：
Figure GDA0002525552210000021
其中，
Figure GDA0002525552210000031
其中α＝π/6；
Figure GDA0002525552210000032
其中θ为接触网电压的相位；在对电流闭环模块产生的一组电压指令进行多相坐标变换，合成得到电压给定值时，多相坐标变换模块用于：将基波电压的第一分量给定值和基波电压的第二分量给定值、以及各次谐波平面电压的第一分量给定值和第二分量给定值，从6相同步旋转坐标系上变换到6相静止正交坐标系，坐标变换矩阵为T-1 dq6/αβ6；再变换到6相的自然坐标系，坐标变换矩阵记做T-1 αβ6/abc6；在得到的一组电压给定值中，将其中一个预定的给定值，作为电压给定值。
可选地，直流电压闭环模块用于：滤除直流电压值的二倍频波动；并将直流电压给定值与滤波后的直流电压值相减，并通过一个比例积分调节器，产生基波电流的第二分量给定值。
可选地，单位功率因数控制指令模块用于：计算基波电压第一分量给定值和基波电压第二分量给定值的比例，然后经过低通滤波器去除毛刺和干扰，并乘以基波电流第二分量给定值，得到基波电流的第一分量给定值。
可选地，电流闭环模块用于：将基波电流的第一分量给定值和基波电流的第二分量给定值分别与基波电流的第一分量和第二分量做差，并输入相应的比例积分调节器，得到基波电压的第一分量给定值和基波电压的第二分量给定值；并将各次谐波平面的电流第一分量给定值和第二分量给定值分别与各次谐波平面的电流第一分量和第二分量做差后，输入给相应的比例积分调节器，分别得到各次谐波平面电压的第一分量给定值和第二分量给定值。
可选地，单相整流器，包括：多个boost半桥；多个Boost半桥的全控型器件并联；多个Boost半桥的全控型器件交错导通。
可选地，单相整流器，还包括：交流电流传感器，用于对交流输入电流进行转换，并输入至控制器；以及直流电压传感器，用于对直流输出电压进行转换，并输入至控制器。
为达到上述目的，本发明提供了还一种单相整流器的控制方法，包括：将交流输入电流变换为不同频率的多相电流，并获取接触网电压的相位；根据相位，将不同频率的多相电流中的基波电流和各次谐波电流，分别映射到同步速旋转和倍数同步速旋转的多个正交平面上；调节基波电流的第二分量给定值；并根据基波电压第一给定值和第二给定值的比例和基波电流的第二分量给定值，生成基波电流的第一分量给定值；对基波电流平面的高次谐波进行抑制，对各次谐波平面中的各次谐波进行抑制，并产生一组电压；对一组电压进行多相坐标变换，得到电压给定值；根据电压给定值和采样得到的直流电压值，计算得到占空比，并将占空比转换为控制脉冲发送至boost半桥。
本发明的有益效果如下：本发明的单相整流器电路结构简单；本发明的虚拟多相控制方法，与传统的交流电流瞬时值闭环控制相比，可以实现更好的电流控制性能；通过虚拟多相控制方法可以有效地将不同次谐波的电流进行单独的控制，具有良好的谐波抑制控制性能。
本发明的单相整流器，通过控制boost桥臂中的全控型器件的开通或关段，可以控制交流电流的变化率，从而可以使得交流电流波形接近正弦，且实现牵引变压器辅助绕组输出的单位功率因数。
本发明的控制方法，对于电网电压相位检测的精度要求不高。由于牵引变压器辅助绕组输出的单位功率因数这一控制目标，确保了交流电流与交流电压保持同相位，即便电网电压相位检测存在一定的固定偏差，也不影响控制性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了辅助变流器在车辆中的示意图；
图2示出了现有技术中采用的整流器的示意图；
图3示出了包括本发明的单相整流器的辅助变流器的连接示意图；
图4中示出了本发明的单相整流器中的控制器的电流虚拟多相模块、接触网电压相位观测模块和多相坐标变换模块的连接示意图；
图5中示出了本发明的单相整流器中的控制器的单位功率因数控制指令模块、直流电压闭环模块和电流闭环模块的连接示意图；
图6中示出了本发明的单相整流器中的控制器的多相坐标变换模块和脉冲生成模块的连接示意图；
图7示出了本发明实施例的单相整流器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种单相整流器及其控制方法，用于轨道交通车辆中辅助变流器的单相整流器，实现交流输入电流波形正弦，与牵引变压器二次侧绕组端口电压相位一致，实现变压器辅助绕组输出的单位功率因数为1，即单相整流器呈现纯阻性负载。
图3示出了包括本发明的单相整流器的辅助变流器的连接示意图。如图3所示，本发明的单相整流器在硬件上，主要由二极管单相桥、boost半桥、直流电容、电压电流的若干传感器和控制器构成。单相整流器内部不需要设置交流电抗器，工作所必须的电抗器可以采用牵引变压器的漏抗。从而提高了系统的集成化程度，降低辅助变流器的体积重量。
二极管单相桥可以由四个二极管组成，二极管可以是单独一个二极管，也可以是多个二极管的并联。二极管可以是普通的整流二极管，也可以是快恢复二极管。二极管单相桥将单相整流器的交流输入整流成为直流电。二极管单相桥的输出连接到boost半桥的桥臂中点。
boost半桥可以由一个快恢复二极管和一个全控型器件构成。单相整流器可以采用一个boost半桥单元，也可以采用多个boost半桥单元并联。Boost半桥和直流电容并联。
直流电压传感器和交流电流传感器分别对输出的直流电压和交流输入电流进行转换，并送给控制器中进行采样和转换，作为控制器的输入。网压互感器可以将接触网电压转换为低电压，发送给控制器作为输入。
控制器具备对交流电流和直流电压的采样转换能力，具备可以实施控制方法的微处理器。并根据其中运行的控制方法，计算出boost半桥的所需占空比，再转换成控制脉冲送给boost半桥中的全控型器件。
本发明控制方法的核心思想是将单相整流器的单相电流通过虚拟方法，构造成一个多相系统。然后通过多相坐标变换，将不同频率的电流映射到多个正交平面上，进而可以在不同平面上对不同次的谐波电流分别进行控制。得到的电压指令再通过多相坐标变换，变换回单相整流器的电压指令。然后通过计算和脉宽调制得到脉冲指令。
在本发明中，单相整流器的控制器中可以包括：电流虚拟多相模块，用于将所述交流输入电流变换为不同频率的多相电流；接触网电压相位观测模块，用于获取接触网电压的相位，以为坐标变换提供角度；多相坐标变换模块，用于通过多相坐标变换，将基波电流和各次谐波电流，分别映射到同步速旋转和倍数同步速旋转的多个正交平面上；并对电流闭环模块产生的一组电压进行多相坐标变换，得到电压给定值；电流闭环模块，用于对所述基波电流平面的高次谐波进行抑制，对所述各次谐波平面中的各次谐波进行抑制，并产生一组电压，输入至所述多相坐标变换模块；直流电压闭环模块，用于调节所述基波电流的第二分量给定值；单位功率因数控制指令模块，用于根据基波电压第一给定值和第二给定值的比例和所述基波电流的第二分量给定值，生成所述基波电流的第一分量给定值；脉冲生成模块，用于根据所述多相坐标变换模块得到的电压给定值和采样得到的直流电压值，计算得到占空比，并将所述占空比转换为控制脉冲发送至所述boost半桥。
在实施时，控制器中的各个模块可以采用以下方式实施：
图4中示出了本发明的单相整流器中的控制器的电流虚拟多相模块、接触网电压相位观测模块和多相坐标变换模块的连接示意图。
本实施例将单相整流器的电流虚拟为6相系统，但本发明不局限于6相，也可以虚拟为9相，15相，27相，48相等。
本实施例中的电流虚拟多相模块，通过存储最近一个基波周期(2π)的交流电流数据，分别延迟π/6,2π/3,5π/6,4π/3,3π/2角度，依次获得i2,i3,i4,i5,i6,和瞬时值i1，虚拟成了一个6相电流。
本实施例并不局限于采用存储历史数据获得相位延迟的电流值，也可以采用构造移相函数的方式获得上述多相电流。
接触网电压相位观测模块可采用硬件锁相环或者软件锁相环，获得接触网电压的相位θ，为多相坐标变换提供角度。
多相坐标变换模块对于6相电流进行多相坐标变换，将6相的自然坐标系(abc6坐标系)变换到6相静止正交坐标系(αβ6坐标系)，坐标变换矩阵记做Tαβ6/abc6；然后变换到6相同步旋转坐标系上(dq6坐标系)，坐标变换矩阵记做Tdq6/αβ6；多相坐标变换过程如下。
Figure GDA0002525552210000081
Figure GDA0002525552210000082
其中，
Figure GDA0002525552210000083
其中α＝π/6；
Figure GDA0002525552210000084
α1β1平面中为基波平面，基波电流为其主要成分，进行同步旋转坐标变换，即在d1q1坐标系中，基波分量即为直流量。α3β3平面为谐波平面，其主要为3次谐波为主的三的倍数次谐波。将其按3倍同步速进行旋转坐标变换，即在d3q3坐标系中，3次谐波即为直流量。α5β5平面为谐波平面，其中主要成分为5次谐波。将其按照5倍同步速进行旋转坐标变换，即在d5q5坐标系中，5次谐波即为直流量。经过坐标变换，得到基波电流的第一分量id1,基波电流的第二分量iq1,3次谐波电流第一分量id3,3次谐波电流第二分量iq3,5次谐波电流第一分量id5,5次谐波电流第二分量iq5。
图5中示出了本发明的单相整流器中的控制器的单位功率因数控制指令模块、直流电压闭环模块和电流闭环模块的连接示意图。
直流电压闭环模块对直流电压进行闭环控制，将电压传感器检测得到的直流电压值通过一个滤波器模块，滤除单相整流器中常见的电网二倍频波动；再将直流电压给定值与滤波后的直流电压相减，然后通过一个比例积分调节器，产生基波电流的第二分量iq1的给定值。
单位功率因数控制指令模块中，首先计算基波电压第一分量ud1给定值和基波电压第二分量uq1给定值的比例，然后经过低通滤波器去除出毛刺和干扰，然后乘以基波电流第二分量iq1给定值，生成基波电流的第一分量id1给定值。此模块确保了电流给定值与电压给定值同相位，从而确保了牵引变压器二次侧输出端口的功率因数为1。
在电流闭环模块中，均可以采用比例积分调节器。基波电流的分量id1给定值和iq1给定值分别与id1,iq1做差，然后输入给各自的调节器，形成ud1给定值和uq1给定值。其他谐波平面的电流给定值均为0,分别与id3,iq3,id5,iq5做差后，输入给各自的调节器，分别形成3次谐波电压第一分量ud3给定值，3次谐波电压第二分量uq3给定值，5次谐波电压第一分量ud5给定值，5次谐波电压第二分量uq5给定值。
图6中示出了本发明的单相整流器中的控制器的多相坐标变换模块和脉冲生成模块的连接示意图。
电流闭环模块产生的一组电压值通过多相坐标变换，合成得到单相整流器的电压给定值。变换过程为6相同步旋转坐标系上(dq6坐标系)变换到6相静止正交坐标系(αβ6坐标系)，坐标变换矩阵为T-1 dq6/αβ6。然后变换到6相的自然坐标系(abc6坐标系)，坐标变换矩阵记做T-1 αβ6/abc6。得到的一组电压给定值中，将u1给定值，作为单相整流器的电压给定值。
脉冲生成模块，根据电压给定值和直流电压值，按照电路的数学模型，计算得到单相整流器的占空比指令d，然后通过脉宽调制，生成脉冲指令S。该脉冲指令控制单相整流器中的开关管。
本发明的单相整流器电路结构简单；本发明的虚拟多相控制方法，与传统的交流电流瞬时值闭环控制相比，可以实现更好的电流控制性能；通过虚拟多相控制方法可以有效地将不同次谐波的电流进行单独的控制，具有良好的谐波抑制控制性能。
本发明的单相整流器，通过控制boost桥臂中的全控型器件的开通或关段，可以控制交流电流的变化率，从而可以使得交流电流波形接近正弦，且实现牵引变压器辅助绕组输出的单位功率因数。
本发明的控制器，对于电网电压相位检测的精度要求不高。由于牵引变压器辅助绕组输出的单位功率因数这一控制目标，确保了交流电流与交流电压保持同相位，即便电网电压相位检测存在一定的固定偏差，也不影响控制性能。
图7示出了本发明的单相整流器的控制方法的流程图。如图7所示，本发明的单相整流器的控制方法包括以下步骤：
S701，将交流输入电流变换为不同频率的多相电流，并获取接触网电压的相位；
S702，根据相位，将不同频率的多相电流中的基波电流和各次谐波电流，分别映射到同步速旋转和倍数同步速旋转的多个正交平面上；
S703，调节基波电流的第二分量给定值；并根据基波电压第一给定值和第二给定值的比例和基波电流的第二分量给定值，生成基波电流的第一分量给定值；
S704，对基波电流平面的高次谐波进行抑制，对各次谐波平面中的各次谐波进行抑制，并产生一组电压；
S705，对一组电压进行多相坐标变换，得到电压给定值；
S706，根据电压给定值和采样得到的直流电压值，计算得到占空比，并将占空比转换为控制脉冲发送至boost半桥。
各步骤的具体实施，可以参考前述控制器中各模块的实施，重复之处不再赘述。
本发明控制方法的核心思想是将单相整流器的单相电流通过虚拟方法，构造成一个多相系统。然后通过多相坐标变换，将不同频率的电流映射到多个正交平面上，进而可以在不同平面上对不同次的谐波电流分别进行控制。得到的电压指令再通过多相坐标变换，变换回单相整流器的电压指令。然后通过计算和脉宽调制得到脉冲指令。
本发明的控制方法，对于电网电压相位检测的精度要求不高。由于牵引变压器辅助绕组输出的单位功率因数这一控制目标，确保了交流电流与交流电压保持同相位，即便电网电压相位检测存在一定的固定偏差，也不影响控制性能。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种单相整流器，其特征在于，包括：
二极管单相桥，用于将交流输入电流整流为直流电流；所述二极管单相桥的输出连接到boost半桥的桥臂中点；
所述boost半桥，所述boost半桥包括串联的一个快恢复二极管和一个全控型器件；用于将交流输入电流的波形控制为正弦；
直流电容，所述直流电容与所述boost半桥并联；
控制器，用于将所述交流输入电流变换为不同频率的多相电流，再对所述多相电流分别进行谐波控制；并通过多相坐标变换得到电压给定值，并转换成控制脉冲发送至所述boost半桥。
2.根据权利要求1所述的单相整流器，其特征在于，所述控制器包括：
电流虚拟多相模块，用于将所述交流输入电流变换为不同频率的多相电流；
接触网电压相位观测模块，用于获取接触网电压的相位，以为坐标变换提供角度；
多相坐标变换模块，用于通过多相坐标变换，根据接触网电压的相位，将多相电流中的基波电流和各次谐波电流，分别映射到同步速旋转和倍数同步速旋转的多个正交平面上；并对电流闭环模块产生的一组电压进行多相坐标变换，得到电压给定值；
电流闭环模块，用于对所述基波电流平面的高次谐波进行抑制，对所述各次谐波平面中的各次谐波进行抑制，并产生一组电压，输入至所述多相坐标变换模块；
直流电压闭环模块，用于调节所述基波电流的第二分量给定值；
单位功率因数控制指令模块，用于根据基波电压第一给定值和第二给定值的比例和所述基波电流的第二分量给定值，生成所述基波电流的第一分量给定值；
脉冲生成模块，用于根据所述多相坐标变换模块得到的电压给定值和采样得到的直流电压值，计算得到占空比，并将所述占空比转换为控制脉冲。
3.根据权利要求2所述的单相整流器，其特征在于，所述电流虚拟多相模块用于将所述交流输入电流进行相位延迟以获得多相电流，或者构造所述交流输入电流的移相函数以获得所述多相电流。
4.根据权利要求2所述的单相整流器，其特征在于，当所述多相电流为6相电流时，
在通过多相坐标变换，将基波电流和各次谐波电流，分别映射到同步速旋转和倍数同步速旋转的多个正交平面上时，所述多相坐标变换模块用于：将6相电流从自然坐标系变换到6相静止正交坐标系，坐标变换矩阵记做Tαβ6/abc6；然后变换到6相同步旋转坐标系上，坐标变换矩阵记做Tdq6/αβ6；多相坐标变换过程如下：
Figure FDA0002525552200000021
其中，
Figure FDA0002525552200000022
其中α＝π/6；
Figure FDA0002525552200000031
其中θ为接触网电压的相位；
在对电流闭环模块产生的一组电压指令进行多相坐标变换，合成得到电压给定值时，所述多相坐标变换模块用于：
将基波电压的第一分量给定值和基波电压的第二分量给定值、以及各次谐波平面电压的第一分量给定值和第二分量给定值，从6相同步旋转坐标系上变换到6相静止正交坐标系，坐标变换矩阵为T-1 dq6/αβ6；再变换到6相的自然坐标系，坐标变换矩阵记做T-1 αβ6/abc6；在得到的一组电压给定值中，将其中一个预定的给定值，作为电压给定值。
5.根据权利要求2所述的单相整流器，其特征在于，所述直流电压闭环模块用于：
滤除直流电压值的二倍频波动；并将直流电压给定值与滤波后的直流电压值相减，并通过一个比例积分调节器，产生基波电流的第二分量给定值。
6.根据权利要求2所述的单相整流器，其特征在于，所述单位功率因数控制指令模块用于：
计算基波电压第一分量给定值和基波电压第二分量给定值的比例，然后经过低通滤波器去除毛刺和干扰，并乘以基波电流第二分量给定值，得到基波电流的第一分量给定值。
7.根据权利要求2所述的单相整流器，其特征在于，所述电流闭环模块用于：
将基波电流的第一分量给定值和基波电流的第二分量给定值分别与基波电流的第一分量和第二分量做差，并输入相应的比例积分调节器，得到基波电压的第一分量给定值和基波电压的第二分量给定值；
并将各次谐波平面的电流第一分量给定值和第二分量给定值分别与各次谐波平面的电流第一分量和第二分量做差后，输入给相应的比例积分调节器，分别得到各次谐波平面电压的第一分量给定值和第二分量给定值。
8.根据权利要求1所述的单相整流器，其特征在于，包括：
多个boost半桥；所述多个Boost半桥的全控型器件并联；所述多个Boost半桥的全控型器件交错导通。
9.根据权利要求7所述的单相整流器，其特征在于，还包括：
交流电流传感器，用于对交流输入电流进行转换，并输入至所述控制器；以及
直流电压传感器，用于对直流输出电压进行转换，并输入至所述控制器。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的单相整流器的控制方法，包括：
将所述交流输入电流变换为不同频率的多相电流，并获取接触网电压的相位；
根据所述相位，将所述不同频率的多相电流中的基波电流和各次谐波电流，分别映射到同步速旋转和倍数同步速旋转的多个正交平面上；
调节所述基波电流的第二分量给定值；并根据基波电压第一给定值和第二给定值的比例和所述基波电流的第二分量给定值，生成所述基波电流的第一分量给定值；
对所述基波电流平面的高次谐波进行抑制，对所述各次谐波平面中的各次谐波进行抑制，并产生一组电压；
对所述一组电压进行多相坐标变换，得到电压给定值；
根据所述电压给定值和采样得到的直流电压值，计算得到占空比，并将所述占空比转换为控制脉冲。
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