CN201873396U - 具有可控整流器的电梯控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种具有可控整流器的电梯控制系统，包括：连接滤波后的三相电的预充电模块；连接所述预充电模块的可控整流器；连接所述可控整流器的逆变器；连接所述预充电模块、可控整流器、及所述逆变器的控制器；其中，所述可控整流器包括由六个IGBT模块构成的整流IGBT模组，所述六个IGBT模块分别两两串联构成三组串联电路，所述三组串联电路并联在一起，且每个IGBT模块均由一个IGBT管、及并联在所述IGBT管的源极及漏极两端的二极管构成。本实用新型的有益效果在于：整流过程可控、无需独立于整流器的回馈设备、总的谐波分量低于3％。

Description

具有可控整流器的电梯控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种电梯控制系统，特别涉及一种具有可控整流器的电梯控制系统。

背景技术

在经济高速发展的今天，绿色节能成为社会可持续发展的重要体现，“绿色”概念也成为电梯市场的发展主流。绿色节能环保电梯极有可能成为今后电梯市场的主导性产品，拥有其核心技术，就能够掌握了下一步竞争的主动权。绿色节能环保电梯的研究主要集中在电梯制造、配置以及安装、使用过程中的节能和减少环境污染等方面。在电梯控制系统中，电梯变频器作为关键部件成为实现绿色节能环保电梯的重要因素。

现有技术变频器中的整流部分，多为不可控整流器，如图1所示，现有技术的整流器，主要由二极管D1-D6构成，其中，D1与D2串联，D3与D4串联，D5与D6串联，串联后的D1与D2、D3与D4、D5与D6互相并联，三相电U_a、U_b、U_c分别连接D1与D2、D3与D4、D5与D6的连接点，充电电容C与分别构成串联的电路的D1与D2、D3与D4、D5与D6并联。

三相电波形图请参见图2，由于电流具有向最小阻力的路径流动的特性，使得六个二极管D1-D6中，始终只有2个处在导通状态，且同一串联电路中的两个二极管不会同时导通。在0-T/3的时间内，电压输出最大的为U_a相，而在前T/6的时间内，电压输出最小为U_b相，后T/6时间内，电压输出最小的为U_c相。则在0-T/3的时间内，二极管D1始终保持导通，而在前T/6的时间内，D4导通，后T/6时间内，切换至D6导通。也就是说，导通的二极管顺序为[D1，D4]、[D1，D6]。根据同样的原理，可以得到后续的二极管导通顺序为[D3，D6]、[D3，D2]、[D5，D2]、[D5，D4]，如此完成一个周期。

则整流器的输出波形请参阅图3，可以看到，整流器截取了波峰波形，该波峰波形可近似得被认为是直流电，整流器完成了从交流到直流的整流过程。

可以看到，作为变频器中重要组成部分的整流器，现有技术中存在以下缺陷：

1、整流过程不可控，则由于转换过程中的损耗，后续逆变器的输出电压通常小于0.98Uin(Uin为变频器输入电压)，限制了电机的可选范围。

2、需要独立于整流器的回馈设备，来向电网回馈能源，如专利号为：200620014092，专利名称为双变频节能型电梯拖动装置的专利，就记载了以下内容：一种双变频节能型电梯拖 动装置，包括电梯运行控制柜、设置在控制柜内的第一变频器及控制和处理单元，其特征在于，还包括设置在所述机柜内的回馈型制动单元，回馈型制动单元的正负端与所述第一变频器的直流母线的正负端子相连接，其交流端并接在与第一变频器的交流输入端。可以看到，为了提高能源回馈率，需要额外的设备。

3、由于电梯系统的电源通常直接连接到大楼的电源网络中，而现有技术的整流器不可控，回馈的电平容易产生不同步和谐波等问题，使得电梯系统成为较大的污染源之一。

此外，现有技术中的控制系统多存在保护措施不足，在突发状况下容易产生错误等问题。

因此，如何提供一种电梯控制系统，能够有效对整流器进行控制，提高电源回馈率及输出电平，保障回馈的电能具备同步、低谐波、无干扰，并提供充足的保护措施，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的所要解决的技术方案是提供一种具有可控整流器的电梯控制系统及控制方法，以解决现有技术的不足。

为解决上述技术方案，本实用新型提供一种具有可控整流器的电梯控制系统，包括：连接滤波后的三相电的预充电模块；连接所述预充电模块，将输入的三相电转换为电压高于所述三相电相电压三倍的直流电输出，并将高于设定值的输出电压的能量反馈回电网的可控整流器；连接所述可控整流器，将所述可控整流器输出的直流电转换为控制后续电机运转的可变交流电的逆变器；连接所述预充电模块、可控整流器、及所述逆变器，采集所述可控整流器的输入电流、输入电压及输出电压，控制所述预充电模块接通或短路，控制所述可控整流器同时进行三相电至直流电的转换及能量反馈，并控制所述逆变器进行直流电至可变交流电转换的控制器；其中，所述可控整流器包括由六个IGBT模块构成的整流IGBT模组，所述六个IGBT模块分别两两串联构成三组串联电路，所述三组串联电路并联在一起，且每个IGBT模块均由一个IGBT管、及并联在所述IGBT管的源极及漏极两端的二极管构成，每个IGBT管均在所述控制器的控制下导通或关断。

作为本实用新型的优选方案之一，所述预充电模块包括三个预充电单元，分别连接三相电的三个输入端，每个预充电单元包括一个电阻及与所述电阻并联并受控于所述控制器的开关。

作为本实用新型的优选方案之一，所述可控整流器还包括三个由串联的电感及电阻构成的电抗，所述三个电抗的一端分别连接所述三个预充电单元，另一端分别连接构成同一串联 电路的两个IGBT模块互相连接的一端；所述控制器通过采集流过所述电抗上的电流、及所述电抗一端的电压，获得所述可控整流器的输入电流及输入电压。

作为本实用新型的优选方案之一，所述逆变器包括与所述可控整流器的整流IGBT模组结构相同的逆变IGBT模组。

作为本实用新型的优选方案之一，所述可控整流器及所述逆变器之间连接有充电电路，所述充电电路包括充电电容及电阻，所述充电电容之间串联连接，所述电阻分别与所述充电电容并联。

作为本实用新型的优选方案之一，所述具有可控整流器的电梯控制系统还包括输入端连接所述三相电，输出端连接所述控制器，以向所述控制器提供缺相信号的第一相位相序测量模块；输入端连接所述三相电，输出端连接所述控制器，以向所述控制器提供同步电压信号的第二相位相序测量模块；输入端连接在所述预充电模块及所述可控整流器之间，输出端连接所述控制器，以向所述控制器提供输入电流信号的第三相位相序测量模块；输入端连接在所述逆变器输出端，输出端连接所述控制器，以向所述控制器提供电机电流信号的第四相位相序测量模块。

作为本实用新型的优选方案之一，所述控制器及所述可控整流器之间，所述控制器及所述逆变器之间均连接有IGBT驱动及保护电路。

作为本实用新型的优选方案之一，所述电梯控制系统还包括与所述控制器、所述IGBT驱动及保护电路、所述可控整流器、及所述逆变器连接的开关电源。

本实用新型的有益效果在于：1、整流过程可控，使得逆变器的输出电压能够高于输入电压，大大增加了电机的可选范围，并且，由于电机的电压增加，其电流可以相应减小，降低了能耗；2、无需独立于整流器的回馈设备，来向电网回馈能源，本实用新型提供的系统及方法，能够在整流的过程中实现能源回馈，整流及能源回馈的过程是不可分割的，整流或回馈能够通过电感上的电流是向可控整流器流动或向三相电流动被反映，并在矢量计算中体现，因而无需额外的能源回馈；3、有效地避免电磁谐波的生成，使得总的谐波分量低于3％；4、提供了多种安全保护。

附图说明

图1为现有技术的整流器结构示意图。

图2为三相交流电波形图。

图3为现有技术的整流器输出波形图。

图4为本实用新型提供的具有可控整流器的电梯控制系统的结构示意图。

图5为可控整流器的结构示意图。

图6为可控整流器与控制器及后续电容电阻的连接示意图。

图7为逆变器的结构示意图。

图8为逆变器与控制器、前端电容电阻及后续电机的连接示意图。

图9为控制器整流过程示意图。

图10空间矢量及扇区划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

请参阅图4，本实用新型提供的具有可控整流器的电梯控制系统包括控制器1、开关电源2、可控整流器3、逆变器4、第一相位相序测量模块51、第二相位相序测量模块52、第三相位相序测量模块53、第四相位相序测量模块54、滤波器6、三刀单掷开关KBAT、KBAT的控制器7、分别与KBAT中三个开关并联的电阻R4、R5、R6、及IGBT驱动及保护电路81、82。

三刀单掷开关KBAT及电阻R4、R5、R6构成预充电模块，三相电U、V、W经过滤波器6滤波后输入预充电模块。预充电模块可分成三个预充电单元，每个单元包括一个开关及一个与所述开关并联的电阻。控制器1通过KBAT的控制器7控制其通断。预充电模块的作用是当三相电刚接入时，减少突然输入的电流对后续电路的冲击。因此，刚接入三相电时，控制器1通过第三相位相序测量模块53采集的输入电流信号判断电流不稳定，KBAT开路，电阻R4-R6发挥缓冲作用，经过一定时间控制器1通过输入电流信号判断电流稳定时，通过KBAT的控制器7控制三刀单掷开关KBAT关断，则预充电模块短路。

可控整流器3连接所述预充电模块，的作用是将输入的三相电转换为电压高于所述三相电相电压三倍的直流电输出，并将高于设定值的输出电压的能量反馈回电网。其中，三相电相电压是指输入的三相电的有效值，对于3Ph 380Vac的三相电，其有效值为220V，则可控整流器3在稳定情况下，输出高于660V的电压。

逆变器4连接可控整流器3，将所述可控整流器输出的直流电转换为控制后续电机运转的可变交流电。

可控整流器2及逆变器4之间连接有3个充电电容C1、C2、C3，充电电容C1、C2、C3还 分别并联有电阻R1、R2、R3。充电电容C1、C2、C3及并联的电阻R1、R2、R3在电源接入初期起到缓冲的作用。充电电容及并联的电阻的个数可以根据需要调整。

控制器1控制整个电梯控制系统的正常运作，其通过第一相位相序测量模块51采集三相电输入端的缺相信号，通过第二相位相序测量模块52采集三相电输入端的同步电压信号，通过第四相位相序测量模块54采集逆变器4输出的电机电流信号，在上述三个信号中的一者或一者以上出现异常的情况下，停止电梯控制系统的正常工作。确保在正常工作状态下，输入的三相电没有缺相、同步电压异常，电机电流异常的情况的发生。

控制器1通过IGBT驱动及保护电路81、82分别连接可控整流器3及逆变器4。在正常工作状态下，控制器1通过IGBT驱动及保护电路81、82分别驱动并控制可控整流器3及逆变器4。使可控整流器3及逆变器4完成正常操作。

开关电源2向电梯控制系统中的各个部件提供电源，IGBT驱动及保护电路81、82还具有分别保护可控整流器3及逆变器4，防止过流过压的功能。

请参阅图5及图6，可控整流器3包括：

分别由电阻R_a及电感L_a、电阻R_b及电感L_b、电阻R_c及电感L_c串联构成的三个电抗器，其中，所述三个电抗器的一端分别连接三相电的输入端；

分别由IGBT管IGBT1及并联在IGBT1的源极及漏极两端的二极管D1、IGBT管IGBT2及并联在IGBT2的源极及漏极两端的二极管D2、IGBT管IGBT3及并联在IGBT3的源极及漏极两端的二极管D3、IGBT管IGBT4及并联在IGBT4的源极及漏极两端的二极管D4、IGBT管IGBT5及并联在IGBT5的源极及漏极两端的二极管D5、IGBT管IGBT6及并联在IGBT6的源极及漏极两端的二极管D6构成的六个IGBT模块，所述六个IGBT模块构成整流IGBT模组；

其中，由IGBT1及D1构成的IGBT模块与由IGBT2及D2构成的IGBT模块串联构成一组串联电路，由IGBT3及D3构成的IGBT模块与由IGBT4及D4构成的IGBT模块串联构成一组串联电路，由IGBT5及D5构成的IGBT模块与由IGBT6及D6构成的IGBT模块串联构成一组串联电路，所述三组串联电路互相并联，且所述三个电抗器的另一端分别连接在所述三组串联电路中的两个IGBT模块之间。

二极管D1的负极连接IGBT管IGBT1的源极，二极管D1的正极连接IGBT管IGBT1的漏极，IGBT管IGBT1的栅极连接控制器1；二极管D2的负极连接IGBT管IGBT2的源极，二极管D2的正极连接IGBT管IGBT2的漏极，IGBT管IGBT2的栅极连接控制器1；二极管D3的负极连接IGBT管IGBT3的源极，二极管D3的正极连接IGBT管IGBT3的漏极， IGBT管IGBT3的栅极连接控制器1；二极管D4的负极连接IGBT管IGBT4的源极，二极管D4的正极连接IGBT管IGBT4的漏极，IGBT管IGBT4的栅极连接控制器1；二极管D5的负极连接IGBT管IGBT5的源极，二极管D5的正极连接IGBT管IGBT5的漏极，IGBT管IGBT5的栅极连接控制器1；二极管D6的负极连接IGBT管IGBT6的源极，二极管D6的正极连接IGBT管IGBT6的漏极，IGBT管IGBT6的栅极连接控制器1。

IGBT管IGBT1的漏极连接IGBT管IGBT2的源极；IGBT管IGBT3的漏极连接IGBT管IGBT4的源极；IGBT管IGBT5的漏极连接IGBT管IGBT6的源极。

电感L_a连接IGBT管IGBT1的漏极及IGBT管IGBT2的源极；电感L_b连接IGBT管IGBT3的漏极及IGBT管IGBT4的源极；电感L_c连接IGBT管IGBT5的漏极及IGBT管IGBT6的源极。

控制器1采集可控整流器3的输入电压U_a、U_b、U_c及输出电压U_dc，且控制器1采集可控整流器3的输入电流i_a、i_b及i_c。

请参阅图7及图8，可以看到逆变器4由六个IGBT模块构成的逆变IGBT模组构成，由于逆变IGBT模组具有与可控IGBT模组相同的结构，因此不再累述。电机9由三路串联电路输出的交流信号驱动。

请参阅图9及图10，本实用新型还提供上述电梯控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤A、控制器1根据所采集的可控整流器3的输入电流是否平稳判断是否执行短路所述预充电模块的操作；

具体地说，当输入电流不平稳时，控制器1通过KBAT的控制器7控制KBAT开路，预充电模块接入系统中，当输入电流平稳时，控制器1控制KBAT导通，预充电模块短路，不发挥作用。

步骤B、所述控制器根据采集的所述可控整流器的输入电流、输入电压、及输出电压，获得三路开关信号，以控制所述整流IGBT模组中每组串联电路的上桥臂及下桥臂IGBT模块的通断，将输入所述可控整流器的三相电转换为电压高于所述三相电相电压三倍的直流电输出；

具体地说，步骤B分为以下步骤：

步骤B1、控制器1将可控整流器3的输入电流i_a、i_b、i_c及输入电压U_a、U_b、U_c进行CLARKE变换，获得两相静止坐标系下表示的α轴的电流i_Lα、β轴的电流i_Lβ、α轴的电压U_Lα、及β轴的电压U_Lβ，再对所述两相静止坐标系下的α轴的电流i_Lα、β轴的电流i_Lβ、α轴的电压 U_Lα、及β轴的电压U_Lβ进行PARK变换，获得两相旋转坐标系下表示的d轴的电流i_Ld、q轴的电流i_Lq、d轴的电压U_Ld、及q轴的电压U_Lq；

步骤B2、控制器1将采集的可控整流器3的输出电压U_dc与一给定的参考电压U_{dc_ref}相减(为保证可控整流器3的输出电压高于660V，通常选取U_{dc_ref}＝740V)，并将相减后的电压差值ΔU_dc进行比例积分调节以获得有功参考电流i_{d_ref}，将所述d轴的电流i_Ld与所述有功参考电流i_{d_ref}相减，并将相减后的电流差值Δi_d进行比例积分调节后获得的电压U_sd与所述d轴的电压U_Ld相减，获得空间矢量V^*在α轴上的电压指令值U_sα；控制器1将所述q轴的电流i_Lq与一给定的无功参考电流i_{q_ref}相减，并将相减后的电流差值Δi_q进行比例积分调节后获得的电压U_sq与所述q轴的电压U_Lq相减，获得空间矢量V^*在β轴上的电压指令值U_sβ；其中，由于整流器需要达到单位功率因数，因此无功参考电流i_{q_ref}＝0；

步骤B3、控制器1对所述空间矢量V^*在α轴上的电压指令值U_sα及V^*在β轴上的电压指令值U_sβ进行SVPWM调制，获得可控整流器的六路驱动脉冲，分别输入所述整流IGBT模组的六个IGBT模块中，以控制每一路串联电路中的上桥臂或下桥臂的IGBT模块的通断。

其中，SVPWM调制包括以下步骤：

步骤B31、控制器设置开关函数sk＝(a，b，c)，其中a，b，c均为参数，且a，b，c＝0或1；其中，开关函数sk的实际物理意义是，a、b、c分别表示可控IGBT模组中三路串联电路的两个IGBT模块的通断情况，由于IGBT管受控于控制器1导通或关断，因此，可将每个IGBT模块等效为一个开关，a，b，c＝1，则对应的串联电路的上桥臂的IGBT模块导通，下桥臂的IGBT管截止；a，b，c＝0，则对应的串联电路的上桥臂的IGBT模块截止，下桥臂的IGBT模块导通；如此，根据a，b，c的状态，可分成8个矢量V0(000)、V1(001)、V2(010)、V3(011)、V4(100)、V5(101)、V6(110)、V7(111)，其中，V1(001)、V2(010)、V3(011)、V4(100)、V5(101)、及V6(110)为有效矢量，V0(000)及V7(111)为零矢量；

步骤B32、根据开关函数sk的六个有效矢量划分出第一扇区I、第二扇区II、第三扇区III、第四扇区IV、第五扇区V、及第六扇区VI；划分方式为从α轴开始逆时针旋转，将两个相邻的非零矢量之间的扇区依次分为第一扇区I、第二扇区II、第三扇区III、第四扇区IV、第五扇区V、及第六扇区VI；

步骤B33、根据公式V_a＝U_sβ， 及 

判断中间量V_a、V_b及V_c是否大于零；若V_a＞0，则令参数a＝1，否则a＝0，若V_b＞0，则令参数b＝1，否则b＝0，若V_c＞0，则令参数c＝1，否则c＝0；

步骤B33、计算空间矢量区间号sector＝a+2b+4c，得到空间矢量V^*所在的扇区编号；

步骤B34、计算中间量X、Y、Z：

$X=\sqrt{3}\×\frac{T}{2U_{\mathrm{dc}}}\×U_{\mathrm{s\β}},$

$Y=\frac{3}{2}\×\frac{T}{2U_{\mathrm{dc}}}\×U_{\mathrm{s\α}}+\frac{\sqrt{3}}{2}\×\frac{T}{2U_{\mathrm{dc}}}\×U_{\mathrm{s\β}},$

$Z=-\frac{3}{2}\×\frac{T}{2U_{\mathrm{dc}}}\×U_{\mathrm{s\α}}+\frac{\sqrt{3}}{2}\×\frac{T}{2U_{\mathrm{dc}}}\×U_{\mathrm{s\β}};$

其中，T为开关周期；

步骤B35、查阅表1，表1为相邻两个电压矢量作用总时间分配表，根据步骤34计算出中间量X、Y、Z后，通过分配空间矢量V^*所在的扇区相邻的两个有效矢量的作用时间，就能够合成空间矢量V^*；为保证系统在各种情况下，每次切换都只涉及一只开关，空间矢量V^*采用七段空间矢量合成方式：每个矢量均以(000)开始和结束，中间零矢量为(111)，非零矢量保证每次只切换一只开关，见表2所列。

扇区

I

II

III

IV

V

VI

T1

-Z

Z

X

-X

-Y

Y

T2

X

Y

-Y

Z

-Z

-X

表1

扇区	零矢量	相邻矢量1	相邻矢量2	零矢量	相邻矢量2	相邻矢量1	零矢量
								I	000	100	110	111	110	100	000
II	000	010	110	111	110	010	000
								III	000	010	011	111	011	010	000

IV	000	001	011	111	011	001	000
								V	000	001	101	111	101	001	000
VI	000	100	101	111	101	100	000

表2

需要指出的是，表2所示的矢量变换方案仅为一优选方案，对其做出些微调整，并不超 出本发明公开的范围。

根据矢量编号，可以相应获得六路驱动脉冲，控制可控整流器六个IGBT模块的通断；

步骤C、所述控制器通过控制控制所述逆变IGBT模组中每组串联电路的上桥臂及下桥臂IGBT模块的通断，将输入所述逆变器的直流电转换为控制后续电机运转的可变交流电；

具体地说，控制器根据电机的运转要求得到逆变器所需的参考矢量在α轴及β轴上的电压指令值；采用上述的SVPWM调制，得到逆变器的六路驱动脉冲，分别输入所述逆变IGBT模组的六个IGBT模块中，以控制每一路串联电路中的上桥臂或下桥臂的IGBT模块的通断。

本实用新型提供的具有可控整流器的电梯控制系统及控制方法，具有以下优点：

1、整流过程可控，使得逆变器的输出电压能够高于输入电压，大大增加了电机的可选范围，并且，由于电机的电压增加，其电流可以相应减小，降低了能耗。

2、无需独立于整流器的回馈设备，来向电网回馈能源，本实用新型提供的系统及方法，能够在整流的过程中实现能源回馈，整流及能源回馈的过程是不可分割的，整流或回馈能够通过电感上的电流是向可控整流器流动或向三相电流动被反映，并在矢量计算中体现，因而无需额外的能源回馈。

3、有效地避免电磁谐波的生成，使得总的谐波分量低于3％。

4、提供了多种安全保护。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案。不脱离本实用新型精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种具有可控整流器的电梯控制系统，其特征在于，包括：

连接滤波后的三相电的预充电模块；

连接所述预充电模块的可控整流器；

连接所述可控整流器的逆变器；

连接所述预充电模块、可控整流器、及所述逆变器的控制器；

其中，所述可控整流器包括由六个IGBT模块构成的整流IGBT模组，所述六个IGBT模块分别两两串联构成三组串联电路，所述三组串联电路并联在一起，且每个IGBT模块均由一个IGBT管、及并联在所述IGBT管的源极及漏极两端的二极管构成。

2.如权利要求1所述的具有可控整流器的电梯控制系统，其特征在于：所述预充电模块包括三个预充电单元，分别连接三相电的三个输入端，每个预充电单元包括一个电阻及与所述电阻并联并受控于所述控制器的开关。

3.如权利要求1所述的具有可控整流器的电梯控制系统，其特征在于：所述可控整流器包括三个由串联的电感及电阻构成的电抗，所述三个电抗的一端分别连接所述三个预充电单元，另一端分别连接构成同一串联电路的两个IGBT模块互相连接的一端。

4.如权利要求1所述的具有可控整流器的电梯控制系统，其特征在于：所述逆变器包括与所述可控整流器的整流IGBT模组结构相同的逆变IGBT模组。

5.如权利要求1所述的具有可控整流器的电梯控制系统，其特征在于：所述可控整流器及所述逆变器之间连接有充电电路，所述充电电路包括充电电容及电阻，所述充电电容之间串联连接，所述电阻分别与所述充电电容并联。

6.如权利要求1所述的具有可控整流器的电梯控制系统，其特征在于：包括输入端连接所述三相电，输出端连接所述控制器的第一相位相序测量模块；输入端连接所述三相电，输出端连接所述控制器的第二相位相序测量模块；输入端连接在所述预充电模块及所述可控整流器之间，输出端连接所述控制器的第三相位相序测量模块；输入端连接在所述逆变器输出端，输出端连接所述控制器的第四相位相序测量模块。

7.如权利要求1所述的具有可控整流器的电梯控制系统，其特征在于：所述控制器及所述可控整流器之间，所述控制器及所述逆变器之间均连接有IGBT驱动及保护电路。

8.如权利要求7所述的具有可控整流器的电梯控制系统，其特征在于：所述电梯控制系统包括与所述控制器、所述IGBT驱动及保护电路、所述可控整流器、及所述逆变器连接的开关电源。 

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