DE102008031296A1 - Inductor device for e.g. output-sinusoidal filter of frequency converter, has three coils arranged on core from magnetic material, and another core arranged above three coils and forming single inductor acting as longitudinal inductance - Google Patents

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Abstract

The device (11) has three coils (29) arranged on a core (27) from magnetic material. Another core (31) is arranged above the three coils (29) and forms a single inductor acting as longitudinal inductance. The core (27) has a high permeability and exhibits a small air gap. The core (31) has a larger air gap (33). The core (27) has horseshoe or U-shaped side piece embracing the coils with an open side and coupled to a section of the core (27). The component corresponds functionally to a series connection of a current-compensated inductor and inductor arranged in voltage-conducting phasing lines. An independent claim is also included for a filter circuit i.e. three-phase filter circuit, for limitation of a slew rate and voltages between voltage-conducting lines and earth potential, comprising capacitors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drosselspuleneinrichtung für einen Filterschaltkreis, insbesondere für ein Ausgangs-Sinusfilter eines in einem Frequenzumrichter umfassten Wechselrichters, wobei die Drosselspuleneinrichtung so ausgebildet ist, dass sie funktionsmäßig einer Reihenschaltung einer stromkompensierten Drossel mit je einer in jeder spannungsführenden Phasenleitung angeordneten, als Längsinduktivität wirkenden Drossel entspricht. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer solchen Drosselspuleneinrichtung in einem Filterschaltkreis und schließlich noch einen Filterschaltkreis mit einer solchen Drosselspuleneinrichtung.The The present invention relates to a choke coil device for a filter circuit, in particular for an output sine filter an inverter included in a frequency converter, wherein the reactor means is adapted to functionally a series connection of a current-compensated throttle with one each arranged in each live phase line, corresponds to acting as a longitudinal inductance choke. The invention further relates to a use of such a choke coil device in a filter circuit and finally a filter circuit with such a choke coil device.

Insbesondere in der Antriebstechnik werden Frequenzumrichter zur spannungs- und frequenzgesteuerten Stromversorgung von Drehfeldmaschinen eingesetzt. Solche Frequenzumrichter weisen in der Regel einen Gleichspannungs-Zwischenkreis zur Umsetzung der Netzspannung in eine Gleichspannung auf. An den Gleichspannungs-Ausgang ist ein gesteuerter Wechselrichter angekoppelt, der wiederum die Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer einstellbaren Frequenz überführt. Der Wechselrichter ist dabei mit Leistungshalbleiterschaltern ausgestattet, wobei insbesondere schnell schaltende Leistungs-FETs oder IGBTs zum Einsatz kommen. Mit diesen als Schaltelemente verwendeten Transistoren wird eine Sinus-Wechselspannung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz nachgebildet, indem die Ausgangs-Wechselspannung aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammengesetzt wird, so dass auf diese Weise der netzübliche Spannungsverlauf angenähert wird. Derartige Leistungshalbleiterschalter weisen den Vorteil auf, dass Schaltverluste klein gehalten sind, jedoch belasten die steilen Flanken der Spannungsimpulse vor allem die Isolationsmaterialien der angeschlossenen Maschinen. Des Weiteren führen diese kurzen Spannungsanstiegszeiten zu unerwünschter elektromagnetischer Beeinflussung benachbarter Signalleitungen und Einrichtungen.Especially In drive technology, frequency converters are used for voltage and voltage frequency-controlled power supply of induction machines used. Such frequency inverters generally have a DC link for converting the mains voltage into a DC voltage. To the DC output is a controlled inverter coupled, in turn, the DC voltage in an AC voltage with a adjustable frequency transferred. The inverter is equipped with power semiconductor switches, in particular Fast-switching power FETs or IGBTs are used. With these transistors used as switching elements is a Sine AC voltage replicated from short pulses of high frequency, by making the output AC voltage small, different broad impulses is composed, so that in this way the normal voltage curve is approximated. Such power semiconductor switches have the advantage that Switching losses are kept small, but burden the steep edges the voltage pulses, especially the insulation materials of the connected Machinery. Furthermore, these short voltage rise times lead to unwanted electromagnetic interference neighboring Signal lines and equipment.

Zur Vermeidung solcher Störungen und Belastungen ist es bekannt, so genannte Ausgangs-Sinusfilter einzusetzen, die die Aufgabe haben, hochfrequente Anteile der gepulsten Ausgangsspannung des Wechselrichters herauszufiltern, so dass möglichst nur noch die Grundschwingungsspannung an der angeschlossenen Maschine übrig bleibt. Solche Sinusfilter bestehen üblicherweise aus einer Drossel und einem Kondensator, wobei die Eckfrequenz der Sinusfilter zwischen der maximalen Grundschwingungsfrequenz und der Schaltfrequenz des Wechselrichters liegt.to Avoiding such disturbances and strains it is known to use so-called output sine filters, which have the task High-frequency components of the pulsed output voltage of the inverter filter out, so that only possible the fundamental voltage remains on the connected machine. Such sine filters usually consist of a choke and a capacitor, where the cutoff frequency of the sine filters is between the maximum fundamental frequency and the switching frequency of the inverter is.

Diese Sinusfilter können nun in einem Drei-Phasen-Netz je nach Anwendungsfall so realisiert werden, dass sie entweder nur die Leiter-Leiter-Spannung (differential mode) oder aber auch die Leiter-Erde- bzw. Leiter-Zwischenkreis-Spannung (common mode) filtern. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Filter, die sowohl die differential mode- als auch die common mode-Spannung filtern.These Sinusoidal filters can now work in a three-phase network depending on Application can be realized so that they either only the conductor-to-conductor voltage (differential mode) or else the phase-to-phase or phase-to-phase voltage (common mode). The present invention relates to filters, the differential mode as well as the common mode voltage filter.

Ein solcher Filtertyp ist insbesondere aus der EP 0 682 401 B1 bekannt. Dieses Dokument lehrt eine entsprechende Filterwirkung durch Hintereinanderschalten eines differential mode Filters und eines common mode Filters, wobei der differential mode Filter als eine erste Induktivität in diesem Gesamt-Filterschaltkreis eine weitestgehend lineare Längsdrossel und der common mode Filter als eine zweite Induktivität eine stromkompensierte Drossel aufweisen. Stromkompensierte Drosselspulen haben einen gemeinsamen Kern, in welchem sich bei einem symmetrischen Drehstromsystem die magnetischen Flüsse der Grundschwingung der Maschinenströme aufheben. Nur bei unsymmetrischen Strömen bildet die Drosselspule mit den beteiligten Kapazitäten des Kapazitätsnetzwerks einen LC-Tiefpass, mit dem höherfrequente Spannungsimpulse herausgefiltert werden. Diese Lösung der hintereinandergeschalteten Filter hat also den Nachteil, dass zwei separate Drosseln eingesetzt werden müssen, die entsprechenden Platz benötigen und Kosten verursachen.Such a filter type is in particular from the EP 0 682 401 B1 known. This document teaches a corresponding filter effect by connecting a differential mode filter and a common mode filter in series, wherein the differential mode filter as a first inductance in this overall filter circuit a largely linear longitudinal inductor and the common mode filter as a second inductor having a current-compensated inductor. Current-compensated choke coils have a common core in which cancel the magnetic fluxes of the fundamental of the machine currents in a symmetrical three-phase system. Only in the case of asymmetrical currents does the choke coil with the participating capacitances of the capacitance network form an LC low-pass filter with which higher-frequency voltage pulses are filtered out. This solution of the cascaded filter thus has the disadvantage that two separate chokes must be used, which require appropriate space and cause costs.

Grundsätzlich könnte in vorgenannter Ausführungsform auf die common mode Drossel verzichtet werden. In diesem Fall müsste die verbleibende Drossel derart ausgestaltet werden, dass sie sowohl im differential mode als auch im common mode wirkt. Bekannt ist dies insbesondere durch eine Drosselausführung als drei getrennte Einzelphasendrosseln. Eine solche Drosselausführung ist beispielsweise in der EP 0 682 395 B1 beschrieben. Darin ist die Anordnung von mindestens drei Wicklungen auf einem Kern aus magnetischem Material offenbart, wobei sich Streuflüsse ergeben, die zu Streuinduktivitäten führen, welche ihrerseits als Längsinduktivitäten wirksam sind, wobei andererseits Teilflüsse durch den Kern und einen vorgesehenen Luftspalt fließen, sodass diese Anordnung auch als stromkompensierte Drossel wirkt. Da im common mode System jedoch hohe Induktivitätswerte zur Erreichung geringer Filterströme benötigt werden, müssen solche Einzeldrosseln sehr groß ausgelegt werden, was eine solche Drossel für beide Filterzwecke sehr teuer macht.Basically, in the aforementioned embodiment could be dispensed with the common mode throttle. In this case, the remaining throttle would have to be designed such that it acts both in differential mode and in common mode. This is known in particular by a throttle design as three separate single-phase chokes. Such throttle execution is for example in the EP 0 682 395 B1 described. Therein, the arrangement of at least three windings on a core of magnetic material is disclosed, resulting in leakage fluxes, which lead to stray inductances, which in turn are effective as longitudinal inductances, on the other hand flow partial flows through the core and a designated air gap, so that this arrangement also as current-compensated choke acts. However, since in the common mode system high inductance values are required to achieve low filter currents, such individual reactors must be made very large, which makes such a reactor very expensive for both filter purposes.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drosselspuleneinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Verwendung derselben in einem Filterschaltkreis sowie einen entsprechenden Filterschaltkreis anzugeben, welche Drosselspuleneinrichtung kompakt und kostengünstig und dennoch in Filtersystemen, die sowohl die differential mode- als auch die common mode-Spannung filtern, wirksam einsetzbar ist.The present invention is therefore an object of the invention to provide a choke device according to the preamble of claim 1 and a use thereof in a filter circuit and a corresponding filter circuit, which choke device compact and inexpensive and yet in filter systems that both the differential mode and the common Filter mode voltage, can be used effectively is.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei einer solchen Drosselspuleneinrichtung dadurch, dass ein erster Kern aus magnetischem Material und mindestens drei auf diesem Kern angeordnete Wicklungen umfasst sind und dass über den mindestens drei Wicklungen jeweils ein zweiter Kern angeordnet ist, der eine als Längsinduktivität wirkende Einzeldrossel bildet. Für die Verwendung dieser Drosselspuleneinrich tung ist die Aufgabe nach der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 17 und für den Filterschaltkreis durch die Merkmale des Anspruchs 18 gelöst.The Solution to this problem is inventively at Such a reactor means in that a first Core of magnetic material and at least three arranged on this core Windings are included and that over the at least three Windings each have a second core is arranged, as a Longitudinal inductance acting single choke forms. For the use of this Drosselspuleneinrich device is the object of the invention by the features of the claim 17 and for the filter circuit by the features of the claim 18 solved.

Durch den erfindungsgemäßen Filterschaltkreis wird insbesondere ein Ausgangs-Sinusfilter eines in einem Frequenzumrichter umfassten Wechselrichters bereitgestellt, durch den die Anstiegs- und Abfallflanken der vom Umrichter erzeugten Spannungsimpulse reduziert werden, so dass eine Reduzierung der Belastung der Isolation in den angeschlossenen Maschinen sichergestellt ist. Gleichzeitig werden auch Störungen ausgeschaltet oder zumindest reduziert, die durch unsymmetrische Spannungen gegenüber dem Erdpotential hervorgerufen werden. Um den gewünschten kompakten und kostengünstigen Aufbau zu erreichen, kommt die erfindungsgemäße Drosselspuleneinrichtung zum Einsatz. Diese ist als gemeinsames Bauteil realisiert, welches funktionsmäßig einer Reihenschaltung einer stromkompensierten Drossel und je einer in jeder spannungsführen Phasenleitung angeordneten, als Längsinduktivität wirkenden Drossel entspricht. Diese Drosselspuleneinrichtung weist einen ersten Kern aus magnetischem Material auf, auf dem mindestens drei Wicklungen angeordnet sind. Ein zweiter Kern ist jeweils über den Wicklungen angeordnet, wobei dieser zweite Kern mit der zugehörigen Wicklung je eine als Längsinduktivität wirkende Einzeldrossel bildet. Eine solche Anordnung ermöglicht es, nur mit je einer Wicklung pro Phasenleitung eine Dämpfung sowohl bei unsymmetrischer (common mode) als auch bei symmetrischer (differential mode) Beaufschlagung einzustellen, wobei die Induktivitäten der beiden Filtersysteme durch eine vorteilhafte Anordnung der Wicklungen und magnetischen Wege erreicht ist.By the filter circuit according to the invention is in particular an output sine filter of one included in a frequency converter Inverter provided by the rising and falling edges the voltage pulses generated by the inverter are reduced, so that a reduction of the burden of isolation in the connected Machines is ensured. At the same time are also disturbances switched off or at least reduced by unbalanced Voltages are caused against the earth potential. To the desired compact and cost-effective To achieve construction, the invention comes Choke coil device used. This is as common Realized component, which functionally one Series connection of a current-compensated choke and one each in each live phase conductor arranged as a longitudinal inductance acting throttle corresponds. This inductor device has a first core of magnetic material on which at least three Windings are arranged. A second core is each about arranged the windings, said second core with the associated Winding each acting as a longitudinal inductance Throttle forms. Such an arrangement allows it, with only one winding per phase line attenuation in both unbalanced (common mode) and symmetric (Differential mode) to adjust admission, with the inductors the two filter systems by an advantageous arrangement of the windings and magnetic paths is reached.

Das Kernmaterial des ersten Kerns weist vorteilhafterweise eine hohe Permeabilität auf. Dadurch ist eine hohe Induktivität der durch diesen Kern hergestellten stromkompensierten Drossel einstellbar, so dass die Baugröße auch entsprechend klein gehalten werden kann. Für eine besonders kleine Ausführungsform ist es günstig, wenn der erste Kern einen geschlos senen magnetischen Kreis mit keinem oder nur einem geringen Luftspalt aufweist. Auf diese Weise ist die magnetische Streuung insbesondere im Vergleich zu einem Stab reduziert.The Core material of the first core advantageously has a high Permeability up. This is a high inductance the current-compensated choke made by this core adjustable, so that the size also kept correspondingly small can be. For a particularly small embodiment it is favorable if the first core is closed magnetic circuit with no or only a small air gap having. In this way, the magnetic scattering is particular reduced compared to a rod.

Die Drosselspuleneinrichtung ist für ihren Einsatzzweck besonders geeignet, wenn die zweiten Kerne jedenfalls jeweils einen Luftspalt aufweisen, der ggf. größer ist als ein eventuell vorhandener Luftspalt im ersten Kern. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Kern auch ein Material mit einer geringeren Permeabilität als der erste Kern umfassen. Dadurch ist gewährleistet, dass der common mode Fluss nahezu ausschließlich im ersten Kern infolge des dort eingesetzten höherpermeablen Materials und des geringeren oder nicht vorhandenen Luftspalts fließt. Der erste Kern bestimmt somit die common mode Induktivität.The Choke coil device is special for their purpose in any case, if the second cores each have an air gap possibly larger than any existing air gap in the first core. Alternatively or additionally the second core also has a lower permeability material as the first core. This ensures that that the common mode flow almost exclusively in the first Kern due to the higher permeable material used there and the smaller or nonexistent air gap flows. The first core thus determines the common mode inductance.

Eine besondere Ausgestaltungsform sieht vor, dass der zweite Kern einen hufeisen- oder U-förmigen Schenkel aufweist, der mit seiner offenen Seite die Wicklung umgreift und an den Teilabschnitt des ersten Kerns, der die Wicklung trägt, angekoppelt ist, wobei die Ankopplung insbesondere über einen Luftspalt an einer oder an beiden Ankoppelstellen erfolgt. In diesem zweiten Kern erzeugt jede zugeordnete Wicklung ihren eigenen Fluss unabhängig von den anderen Wicklungen, so dass das Kernmaterial des zweiten Kerns und die ggf. vorhandenen Luftspalte den Fluss für das differential mode System bestimmen und somit die Höhe der Induktivität für dieses System definieren. Die Flüsse für das differential mode System schließen sich im ersten Kern. Ist bei der Auslegung einer bestimmten Drosselspuleneinrichtung erforderlich, dass im ersten Kern ein Luftspalt vorzusehen ist, so ist es günstig, diesen in einem Teilabschnitt dieses Kerns anzuordnen, in welchem kein zweiter Kern angekoppelt ist.A special embodiment provides that the second core a Horseshoe or U-shaped legs, with his open side, the winding surrounds and to the section of the first Kerns, which carries the winding, is coupled, whereby the Coupling in particular via an air gap on one or takes place at both coupling points. Generated in this second core each associated winding is independent of its own flow from the other windings, leaving the core material of the second Kerns and the possibly existing air gaps the river for determine the differential mode system and thus the height Define the inductance for this system. Close the flows for the differential mode system in the first core. Is in the design of a specific inductor device required that an air gap be provided in the first core, so it is convenient to this in a subsection of this Kerns to arrange in which no second core is coupled.

Um einen besonders kompakten Aufbau der Drosselspuleneinrichtung zu erreichen, können der erste Kern und die zweiten Kerne in einem Winkel zueinander angeordnet sein, so dass eine dreidimensionale Anordnung gegeben ist. Auf diese Weise ist der Flächenbedarf bei einer Anordnung der Drosselspuleneinrichtung auf einer Leiterplatte gering gehalten. Insbesondere bildet sich bei einer Anordnung des ersten Kerns und der zweiten Kerne im rechten Winkel zueinander wenigstens näherungsweise eine Würfelform aus.Around a particularly compact design of the inductor device can reach the first core and the second cores be arranged at an angle to each other, so that a three-dimensional Arrangement is given. In this way is the space requirement in an arrangement of the inductor device on a circuit board kept low. In particular, forms in an arrangement of the first core and the second cores at right angles to each other at least approximately a cube shape.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der erste Kern in einer langgestreckten, insbesondere rechteckförmigen Form ausgestaltet, so dass sich wenigstens ein geradliniger Teilabschnitt auf diesem ausbildet, auf dem die drei Wicklungen nebeneinander angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn am Einbauort nur eine langgestreckte Drossel Platz findet. Auch diese langgestreckte Drosselanordnung kann wiederum in dreidimensionaler Weise, wie voranstehend erläutert, dargestellt sein. Zudem bietet sich noch eine Optimierung hinsichtlich Raumbedarf und Materialeinsatz in der Weise an, dass die zweiten Kerne über den wenigstens drei nebeneinanderliegenden Wicklungen zu einem einzigen Bauteil zusammenfassbar sind, welches eine E-förmige Figur mit mindestens vier Zinken bildet.In a further embodiment, the first core is configured in an elongated, in particular rectangular shape, so that at least one rectilinear section is formed thereon, on which the three windings are arranged next to one another. This embodiment is advantageous if only an elongated throttle fits into the installation site. This elongated throttle arrangement can again be represented in a three-dimensional manner, as explained above. In addition, there is still an optimization in terms of space requirements and material use in such a way that the second cores on the we at least three adjacent windings are summarized into a single component, which forms an E-shaped figure with at least four prongs.

Hinsichtlich der Optimierung der Baugröße ist noch eine weitere Ausführungsform denkbar. Diese besteht darin, dass der erste Kern und der zweite Kern in einer Ebene liegen, jedoch der zweite Kern innerhalb der vom ersten Kern umrandeten Fläche angeordnet ist. Dies kann wiederum bei hufeisen- oder U-förmigen zweiten Kernen der Fall sein, die sich allesamt im Inneren des ersten Kernes treffen und auch berühren können. Eine ganz besonders raumoptimierte Lösung bietet jedoch ein Aufbau mit einem ersten Kern, der als Ringkern ausgeformt ist, und mit einem zweiten Kern, der sternförmig ist und mindestens drei Arme umfasst. Jedes Armende grenzt jeweils eine Wicklung von einer benachbarten ab. Da auf diese Weise jeweils zwei nebeneinanderliegende Wicklungen einen Arm des zweiten Kerns gemeinsam haben, wird vom zweiten Kernmaterial sehr wenig Masse benötigt.Regarding the optimization of the size is yet another Embodiment conceivable. This is that the first core and the second core lie in one plane, however the second core disposed within the area bordered by the first core is. This in turn can horseshoe or U-shaped second Cores are the case, all of them inside the first core meet and also touch. A very space-optimized Solution, however, provides a structure with a first core, which is formed as a toroidal core, and with a second core, the is star-shaped and comprises at least three arms. each Armende delimits one winding from one adjacent one. Since in this way two adjacent windings having an arm of the second core in common, becomes very much of the second core material little mass needed.

Schließlich soll noch eine vierte Ausführungsform erwähnt werden. Bei dieser besteht das zweite Kernmaterial aus einer magnetisch leitfähigen Vergussmasse. In diesem Fall kann aus dem ersten Kern und den darauf angeordneten Wicklungen zunächst eine common mode Drossel hergestellt und diese anschließend in dem magnetisch leitfähigen Material eingegossen werden. Eine solche Darstellung der erfindungsgemäßen Drosselspuleneinrichtung ist besonders deshalb geeignet, weil vom Kernmaterial des zweiten Kerns keine besonders hohe Permeabilität verlangt wird.After all will be mentioned a fourth embodiment become. In this case, the second core material consists of a magnetic conductive potting compound. In this case, from the first core and the windings arranged thereon, first a common Mode throttle produced and this subsequently in the magnetically conductive material are poured. A Such representation of the inductor device according to the invention is particularly suitable because of the core material of the second Kerns no particularly high permeability is required.

Das Kernmaterial des zweiten Kerns kann auch als magnetisch leitfähiges Sintermaterial, z. B. Eisenpulver, hergestellt sein, wobei die Drosselspuleneinrichtung insbesondere dadurch erzeugt wird, dass der erste Kern mit den mindestens drei Wicklungen in eine Sinterform gelegt und mit Sintermaterial umgeben und anschließend ein Sinterprozess durchgeführt wird.The Core material of the second core may also be referred to as magnetically conductive Sintered material, for. As iron powder, be prepared, wherein the inductor device is generated in particular by the fact that the first core with the at least placed three windings in a sintered mold and surrounded with sintered material and then performed a sintering process becomes.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand der Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:The The invention is described below with reference to the drawings of several embodiments explained in more detail. Showing:

1 einen zur Drehzahlregelung von Drehfeldmaschinen vorgesehenen Frequenzumrichter mit einem Ausgangsfilter; 1 a frequency converter for speed control of induction machines with an output filter;

2 bis 5 verschiedene Ausführungsbeispiele von für das Ausgangsfilter verwendeten Drosselspuleneinrichtungen; und 2 to 5 various embodiments of inductor devices used for the output filter; and

6 die Anordnung der Drosselspuleneinrichtung in einem Drehstromnetz vor einem aktiv gepulsten Netzstromrichter. 6 the arrangement of the inductor device in a three-phase network in front of an actively pulsed mains converter.

1 zeigt einen zur Drehzahlregelung von Drehfeldmaschinen vorgesehenen Frequenzumrichter, von dem jedoch nur ein Gleichstrom-Zwischenkreis (symbolisiert durch einen Kondensator 1) und ein an diesen angeschlossener Wechselrichter 3 dargestellt sind. Der Gleichstrom-Zwischenkreis ist durch einen an das Versorgungsnetz mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz angeschlossenen, in dieser Figur nicht dar gestellten Netzgleichrichter gespeist. Der Wechselrichter 3 setzt die vom Gleichstrom-Zwischenkreis zur Verfügung gestellte Gleichspannung mit Hilfe von Leistungshalbleiterschaltern 5 in ein dreiphasiges Drehstromnetz um und stellt dieses an seinen Ausgangsklemmen 7 mit veränderbarer Frequenz und Spannung für die angeschlossene, hier nicht dargestellte Drehstrommaschine, insbesondere einen Drehstrommotor, zur Verfügung. 1 shows a designated for speed control of induction motors frequency converter, of which, however, only a DC intermediate circuit (symbolized by a capacitor 1 ) and an inverter connected to it 3 are shown. The DC link is powered by a connected to the power grid with a constant voltage and constant frequency, in this figure is not asked power rectifier. The inverter 3 sets the DC voltage provided by the DC link with the help of power semiconductor switches 5 into a three-phase three-phase network and puts this at its output terminals 7 with variable frequency and voltage for the connected, not shown here three-phase machine, in particular a three-phase motor available.

Als Leistungsschalter 5 kommen beispielsweise FETs oder IGBTs zum Einsatz. Diese weisen sehr steile Anstiegsflanken der erzeugten Impulse auf. Dadurch werden zwar die Verluste im Wechselrichter 3 gering gehalten, so dass ein entsprechend hoher Wirkungsgrad des Wechselrichters 3 gewährleistet ist. Auf der anderen Seite verursachen diese steilen Anstiegsflanken durch die dadurch sich einstellende hohe Umpolarisation innerhalb der Wicklungsisolation in den angeschlossenen Drehfeldmaschinen zu Ausfällen aufgrund von Ermüdungserscheinungen und dadurch zu einer reduzierten Lebensdauer dieser Maschinen.As a circuit breaker 5 For example, FETs or IGBTs are used. These have very steep rising edges of the pulses generated. This will cause the losses in the inverter 3 kept low, allowing a correspondingly high efficiency of the inverter 3 is guaranteed. On the other hand, these steep rising edges cause high failure to polarize within the winding insulation in the connected induction machines to fail due to fatigue and thus to a reduced life of these machines.

Um diesen Ausfällen entgegenzuwirken, ist am Ausgang des Wechselrichters 3 ein Ausgangs-Sinusfilter 9 angeschlossen. Dieses umfasst im vorliegenden Beispiel eine Drosselspuleneinrichtung 11 und ein Kondensatorennetzwerk 13. Das Kondensatorennetzwerk 13 ist im Dreiphasennetz derart eingesetzt, dass die einzelnen Kondensatoren (15, 17, 19, 21) zwischen den Phasenleitern 23 sowie zwischen den Leitern 23 und Erdpotential 25 angeordnet sind. Dies erfolgt dadurch, dass drei Kondensatoren 15, 17, 19 in einer Sternschaltung an die drei Phasenleiter 23 angeschlossen sind und der Sternpunkt über einen vierten Kondensator 21 mit der Erde 25 verbunden ist.To counteract these failures is at the output of the inverter 3 an output sine filter 9 connected. In the present example, this comprises a choke coil device 11 and a capacitor network 13 , The capacitor network 13 is used in the three-phase network in such a way that the individual capacitors ( 15 . 17 . 19 . 21 ) between the phase conductors 23 as well as between the ladders 23 and earth potential 25 are arranged. This is done by having three capacitors 15 . 17 . 19 in a star connection to the three phase conductors 23 are connected and the neutral point via a fourth capacitor 21 with the earth 25 connected is.

Als Drosselspuleneinrichtung 11 kommt für die Schaltungsanordnung gemäß 1 eine der Ausführungsformen gemäß 2 bis 5 zur Verwendung.As a choke coil device 11 comes for the circuit according to 1 one of the embodiments according to 2 to 5 for use.

2 zeigt den Aufbau einer ersten Drosselspuleneinrichtung 11. Diese umfasst einen gemeinsamen ersten Kern 27, der näherungsweise eine quadratische Rahmenform einnimmt. Auf drei Seiten dieses ersten Kerns 27 ist jeweils eine Wicklung 29 angeordnet, wobei jede dieser Wicklungen 29 in jeweils eine Phasenleitung 23 eingesetzt ist. Zusammen mit dem gemeinsamen ersten Kern 27 ergibt sich somit eine stromkompensierte Drossel im Dreiphasennetz. Über jeder Wicklung 29 ist ein zweiter Kern 31 angeordnet, der zusammen mit der zugeordneten Wicklung 29 eine Wirkung als Einzeldrossel besitzt und aus einem Material mit geringerer Permeabilität als der erste Kern 27 besteht. Die Anordnung ist derart realisiert, dass jeder in einer rechteckigen U-Form ausgestaltete zweite Kern 31 mit den Enden seiner freien Schenkel über je einen Luftspalt 33 an den Teilabschnitt des ersten Kerns 27 angesetzt ist, auf dem sich die zugeordnete Wicklung 29 befindet. 2 shows the construction of a first reactor means 11 , This includes a common first core 27 which approximates a square frame shape. On three sides of this first core 27 is each a winding 29 arranged, with each of these windings 29 in each case a phase line 23 is used. Together with the common first core 27 thus results in a current-compensated choke in the three-phase network. About every winding 29 is a second core 31 arranged, together with the associated winding 29 has a single-choke effect and a lower-permeability material than the first core 27 consists. The arrangement is realized such that each second core configured in a rectangular U-shape 31 with the ends of its free legs via an air gap 33 to the section of the first core 27 is attached, on which the associated winding 29 located.

Die Wicklungen 29 sind gleichsinnig geschaltet und gewickelt, so dass ein differential mode Strom im ersten Kern 27 keinen Fluss erzeugt. In den zweiten Kernen 31 erzeugt jede der Wicklungen 29 ihren eigenen Fluss unabhängig von den anderen Wicklungen 29, so dass das Material der zweiten Kerne 31 und die Luftspalte 33 den Fluss für das differential mode System bestimmen, wodurch auch die Höhe der Induktivität für dieses System definiert ist. Im jeweiligen Teilabschnitt des ersten Kerns 27 schließt sich dieser Fluss. Wegen der vergleichsweise hohen Permeabilität des Materials des ersten Kerns 27 hat dieses keinen Einfluss auf die differential mode Induktivität. Jedoch ist der erste Kern 27 in der Lage, die differential mode Flüsse zu führen.The windings 29 are switched in the same direction and wound, so that a differential mode current in the first core 27 does not generate a river. In the second nuclei 31 generates each of the windings 29 their own flow independent of the other windings 29 so that the material of the second nuclei 31 and the air gaps 33 determine the flow for the differential mode system, which also defines the level of inductance for this system. In the respective subsection of the first core 27 this river closes. Because of the comparatively high permeability of the material of the first core 27 this does not affect the differential mode inductance. However, the first core is 27 able to guide the differential mode rivers.

Für common mode Ströme heben sich die Flüsse der drei Wicklungen 29 im ersten Kern 27 nicht auf. Wegen der hohen Permeabilität des Materials des ersten Kerns 27 fließt der common mode Fluss nahezu ausschließlich im ersten Kern 27, so dass das Material des ersten Kerns 27 die common mode Induktivität maßgeblich bestimmt.For common mode currents, the fluxes of the three windings stand out 29 in the first core 27 not up. Because of the high permeability of the material of the first core 27 the common mode flow flows almost exclusively in the first core 27 so that the material of the first core 27 the common mode inductance decisively determined.

Im Beispiel nach 2 ist im ersten Kern 27 kein Luftspalt vorgesehen. Soll jedoch bei der Dimensionierung der Drosselspuleneinrichtung 11 ein solcher Luftspalt als erforderlich erachtet werden, so ist dieser vorzugsweise an einer Stelle einzufügen, an der kein zweiter Kern 31 parallel angeordnet ist. Hierfür bietet sich im vorliegenden Beispiel die Seite des quadratischen Kerns 27 an, die keine Wicklung 29 trägt.In the example below 2 is in the first core 27 no air gap provided. However, in the dimensioning of the inductor device 11 such an air gap is considered necessary, it is preferable to insert it at a location where there is no second core 31 is arranged in parallel. For this purpose, in the present example, the side of the square core is suitable 27 on, no winding 29 wearing.

Der in 2 dargestellte ebene Aufbau kann alternativ als dreidimensionales Gebilde dargestellt sein. Dies kann durch Hochklappen der zweiten Kerne 31 senkrecht zur Zeichenebene gewährleistet sein, so dass sich ein würfelförmiger Aufbau ergibt. Aber grundsätzlich ist in raumoptimierter Weise jede Winkelstellung der zweiten Kerne 31 zum ersten Kern 27 hin vorstellbar, sofern dies geometrisch möglich ist. Auch ist denkbar, dass die zweiten Kerne 31 anstelle einer U-Form eine Dreiecksform einnehmen und diese so angeordnet werden, dass sich eine Pyramidenform mit dem ersten Kern 27 als Basis einstellt.The in 2 illustrated planar structure may alternatively be shown as a three-dimensional structure. This can be done by folding up the second cores 31 be ensured perpendicular to the plane, so that there is a cube-shaped structure. But in principle, each angular position of the second cores is in a space-optimized manner 31 to the first core 27 conceivable, if this is geometrically possible. It is also conceivable that the second nuclei 31 take a triangular shape instead of a U-shape and these are arranged so that a pyramid shape with the first core 27 as a base.

3 zeigt eine zweite Variante der Drosselspuleneinrichtung 11. Dieses ist eine alternative Lösung zum vorgenannten Aufbau mit einer langgestreckten Form. Hierbei ist der erste Kern 27 als langgestrecktes Rechteck ausgebildet. Einer der beiden längeren Schenkel 35 dient zur nebeneinanderliegenden Anordnung der drei Wicklungen 29. Die drei anderen Rechteckseiten tragen keine Wicklung 29. Diese Variante hat den Vorteil, dass die nebeneinanderliegenden Schenkel der wiederum in einer rechteckigen U-Form ausgebildeten zweiten Kerne 31 als gemeinsame Schenkel ausgestaltet werden können, so dass sich für das zweite Kernmaterial 31 eine E-förmige Figur mit vier Zinken ergibt. 3 shows a second variant of the choke coil device 11 , This is an alternative solution to the aforementioned construction with an elongate shape. Here is the first core 27 designed as an elongated rectangle. One of the two longer thighs 35 serves for the juxtaposition of the three windings 29 , The other three sides of the rectangle do not carry a winding 29 , This variant has the advantage that the adjacent legs of the second cores formed in turn in a rectangular U-shape 31 can be configured as a common leg, so that for the second core material 31 an E-shaped figure with four prongs results.

Eine weitere vorteilhafte, besonders kompakte Ausführungsform ist in 4 dargestellt. In dieser sind die zweiten Kerne 31 im Inneren der ersten Kerns 27 angeordnet. Zur Minimierung der Masse des zweiten Kernmaterials sind diese zweiten Kerne 31 zu einem einzigen Bauteil vereint, nämlich zu einer stern förmigen Anordnung mit drei Armen 37. Der erste Kern ist als Ringkern 39 ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich ein Gebilde ähnlich einem Wagenrad mit drei Speichen. Zwischen jeweils zwei dieser Arme 37 ist auf dem Ringkern 39 je eine Wicklung 29 aufgewickelt. Wickelrichtung und Schaltung der Wicklungen 29 sind auch hier wieder – wie bei allen vorliegenden Ausführungsvarianten – gleichsinnig. Soll bei dieser Variante gemäß 4 ein Luftspalt anzuordnen sein, so eignet sich eine Stelle, an der einer der Arme 37 des Innensterns am Ringkern 39 anstößt. Auch bei dieser Variante ist zwischen den beiden Kernmaterialien 27, 31 ein Luftspalt 33 vorgesehen.A further advantageous, particularly compact embodiment is in 4 shown. In this are the second cores 31 inside the first core 27 arranged. To minimize the mass of the second core material, these are second cores 31 united into a single component, namely a star-shaped arrangement with three arms 37 , The first core is as a ring core 39 educated. In this way, a structure similar to a cartwheel with three spokes results. Between every two of these arms 37 is on the toroid 39 one winding each 29 wound. Winding direction and circuit of the windings 29 are here again - as in all present embodiments - in the same direction. Should be in accordance with this variant 4 To arrange an air gap, so is a place where one of the arms 37 of the inner star at the toroidal core 39 abuts. Also in this variant is between the two core materials 27 . 31 an air gap 33 intended.

Weiterhin wird unter Bezugnahme auf 5 eine vierte vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Drosselspuleneinrichtung 11 erläutert. In dieser ist das Material des zweiten Kerns 31 eine magnetisch leitfähige Vergussmasse 41. Der Aufbau dieser Einrichtung erfolgt durch einleitender Herstellung einer common mode Drossel aus dem ersten Kern 27 und den Wicklungen 29. Diese wird im Anschluss daran in dem magnetisch leitfähigen Material 41 eingegossen. Ein „Luft"spalt kann dadurch realisiert werden, dass vor dem Vergießen des zweiten Kernmaterials um die einleitend hergestellte common mode Drossel eine Haut aus einer zweiten Vergussmasse aus magnetisch nicht leitfähigem Material gelegt wird.Furthermore, with reference to 5 a fourth advantageous variant of the choke coil device according to the invention 11 explained. In this is the material of the second core 31 a magnetically conductive potting compound 41 , The structure of this device is made by introducing a common mode throttle from the first core 27 and the windings 29 , This will subsequently be in the magnetically conductive material 41 cast. An "air" gap can be realized by placing a skin of a second potting compound of magnetically nonconductive material before casting the second core material around the initially produced common mode throttle.

Schließlich zeigt 6 eine netzseitige Anordnung des Filterschaltkreises in einem Drehstromnetz N, wobei dieser einem aktiv gepulsten Netzstromrichter vorgeschaltet ist. In dieser Darstellung ist der Filterschaltkreis vor einen vom Netzstromrichter umfassten Gleichrichterschaltung 43 gesetzt um diese vor Störspannungen im Drehstromnetz N zu schützen.Finally shows 6 a network-side arrangement of the filter circuit in a three-phase network N, which is connected upstream of an actively pulsed mains converter. In this illustration, the filter circuit is in front of one of the mains current ter included rectifier circuit 43 set to protect against interference voltages in the three-phase network N.

Durch alle vorgenannten Lösungsvarianten kann sehr platz- und materialsparend eine Drosselspuleneinrichtung 11 realisiert werden, die im common mode System eine sehr hohe Induktivität und im differential mode System eine geringe Induktivität besitzt. Dadurch kann statt der bisher zwei verwendeten Dros seln nur eine eingesetzt werden. Vorteile entstehen bezüglich geringem Platzbedarf und geringer Materialkosten.Through all the aforementioned solution variants can save a lot of space and material a choke coil device 11 be realized, which has a very high inductance in the common mode system and a low inductance in the differential mode system. As a result, instead of the two previously used Dros seln only one can be used. Advantages arise in terms of small footprint and low material costs.

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Claims (19)

Drosselspuleneinrichtung für einen Filterschaltkreis, insbesondere für ein Ausgangs-Sinusfilter eines in einem Frequenzumrichter umfassten Wechselrichters, welche so ausgebildet ist, dass sie funktionsmäßig einer Reihenschaltung einer stromkompensierten Drossel und je einer in jeder spannungsführenden Phasenleitung angeordneten, als Längsinduktivität wirkenden Drossel entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kern (27) aus magnetischem Material und mindestens drei auf diesem Kern (27) angeordnete Wicklungen (29) umfasst sind und dass über den mindestens drei Wicklungen (29) jeweils ein zweiter Kern (31) angeordnet ist, der eine als Längsinduktivität wirkende Einzeldrossel bildet.A choke coil device for a filter circuit, in particular for an output sine filter of an inverter included in a frequency converter, which is designed so that it functionally corresponds to a series connection of a current-compensated choke and arranged in each live phase line, acting as a longitudinal inductance choke, characterized in that a first core ( 27 ) of magnetic material and at least three on this core ( 27 ) arranged windings ( 29 ) and that over the at least three windings ( 29 ) in each case a second core ( 31 ) is arranged, which forms a longitudinal inductance acting as a single throttle. Drosselspuleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kern (27) eine hohe Permeabilität aufweist.Choke coil device according to claim 1, characterized in that the first core ( 27 ) has a high permeability. Drosselspuleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kern (27) keinen oder nur einen geringen Luftspalt aufweist.Choke coil device according to claim 1 or 2, characterized in that the first core ( 27 ) has no or only a small air gap. Drosselspuleneinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kern (31) einen größeren Luftspalt (33) als der erste Kern (27) aufweist und/oder ein Material mit einer geringeren Permeabilität als der erste Kern (27) umfasst.Choke coil device according to claim 2 or 3, characterized in that the second core ( 31 ) a larger air gap ( 33 ) as the first core ( 27 ) and / or a material having a lower permeability than the first core (FIG. 27 ). Drosselspuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kern (27) einen hufeisen- oder U-förmigen Schenkel aufweist, der mit seiner offenen Seite die Wicklung (29) umgreift und an den Teilabschnitt des ersten Kerns (27), welcher die Wicklung (29) trägt, angekoppelt ist.Choke coil device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second core ( 27 ) has a horseshoe or U-shaped leg, with its open side, the winding ( 29 ) and to the partial section of the first core ( 27 ), which the winding ( 29 ) is coupled. Drosselspuleneinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem hufeisen- oder U-förmigen Schenkel und dem Teilabschnitt des ersten Kerns (27) wenigstens an einer Ankoppelstelle ein Luftspalt (33) vorgesehen ist.A choke device according to claim 5, characterized in that between the horseshoe or U-shaped leg and the portion of the first core ( 27 ) at least at one Ankoppelstelle an air gap ( 33 ) is provided. Drosselspuleneinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilabschnitt des ersten Kerns (27) derart ausgestaltet ist, dass der magnetische Fluss der Einzeldrossel führbar ist.Choke coil device according to claim 5 or 6, characterized in that the partial section of the first core ( 27 ) is configured such that the magnetic flux of the individual throttle is feasible. Drosselspuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kern (27) ein Luftspalt in einem Teilabschnitt vorgesehen ist, in welchem kein zweiter Kern (31) angekoppelt ist.Choke coil device according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the first core ( 27 ) an air gap is provided in a subsection in which no second core ( 31 ) is coupled. Drosselspuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ebenen, in denen der erste (27) und der zweite Kern (31) liegen, einen Winkel, insbesondere einen rechten Winkel, einschließen.Choke coil device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the two planes in which the first ( 27 ) and the second core ( 31 ), an angle, in particular a right angle, include. Drosselspuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Wicklungen (29) nebeneinander auf einem geradlinigen Teilabschnitt des ersten Kerns (27) angeordnet sind.Choke coil device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the at least three windings ( 29 ) side by side on a rectilinear section of the first core ( 27 ) are arranged. Drosselspuleneinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kerne (31) über diesen mindestens drei Wicklungen (29) zu einem einzigen Bauteil zusammengefasst sind, welches eine E-förmige Figur mit mindestens vier Zinken bildet.Choke coil device according to claim 10, characterized in that the second cores ( 31 ) over these at least three windings ( 29 ) are combined into a single component, which forms an E-shaped figure with at least four prongs. Drosselspuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (27) und der zweite Kern (31) in einer Ebene liegen und der zweite Kern (31) innerhalb der vom ersten Kern (27) umrandeten Fläche angeordnet ist.Choke coil device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the first ( 27 ) and the second core ( 31 ) lie in one plane and the second core ( 31 ) within the first core ( 27 ) bordered surface is arranged. Drosselspuleneinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kern (27) als Ringkern (39) und der zweite Kern (31) sternförmig mit mindestens drei Armen (37) ausgestaltet sind.Choke coil device according to claim 12, characterized in that the first core ( 27 ) as ring core ( 39 ) and the second core ( 31 ) star-shaped with at least three arms ( 37 ) are configured. Drosselspuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial des zweiten Kerns (31) als magnetisch leitfähige Vergussmasse (41) ausgeführt ist.Choke coil device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the core material of the second core ( 31 ) as a magnetically conductive potting compound ( 41 ) is executed. Drosselspuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial des zweiten Kerns (31) als magnetisch leitfähiges Sintermaterial, insbesondere Eisenpulver, ausgeführt ist.Choke coil device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the core material of the second core ( 31 ) is designed as a magnetically conductive sintered material, in particular iron powder. Drosselspuleneinrichtung nach Anspruch 15, welche derart hergestellt ist, dass der erste Kern (27) mit den mindestens drei Wicklungen (29) in eine Sinterform gelegt und mit Sintermaterial umgeben wird und anschließend ein Sinterprozess durchgeführt wird.A choke coil device according to claim 15, which is manufactured in such a way that the first core ( 27 ) with the at least three windings ( 29 ) is placed in a sintering mold and surrounded with sintered material and then a sintering process is performed. Verwendung der Drosselspuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in einem Filterschaltkreis zur Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit von Strömen und Spannungen zwischen spannungsführenden Leitungen (23) und gegenüber dem Erdpotential (25), insbesondere für einen Frequenzumrichter oder als Netzfilter für elektromagnetische Verträglichkeit oder als Filteranordnung vor einem aktiv gepulsten Netzstromrichter.Use of the choke coil device according to one of claims 1 to 16 in a filter circuit for limiting the rate of change of currents and voltages between live lines ( 23 ) and against the earth potential ( 25 ), in particular for a frequency converter or as a line filter for electromagnetic compatibility or as a filter arrangement in front of an actively pulsed mains converter. Filterschaltkreis, insbesondere Drei-Phasen-Filterschaltkreis, zur Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit von Strömen und Spannungen zwischen spannungsführenden Leitungen und gegenüber dem Erdpotential, insbesondere für einen Frequenzumrichter oder als Netzfilter für elektromagnetische Verträglichkeit oder als Filteranordnung vor einem aktiv gepulsten Netzstromrichter, mit einem Kapazitäten (15, 17, 19, 21) und Induktivitäten aufweisenden LC-Tiefpass, wo bei alle Induktivitäten zu der Drosselspuleneinrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zusammengefasst sind.Filter circuit, in particular three-pha sen filter circuit, for limiting the rate of change of currents and voltages between live lines and against the ground potential, in particular for a frequency converter or as a line filter for electromagnetic compatibility or as a filter arrangement in front of an actively pulsed mains converter, with a capacity ( 15 . 17 . 19 . 21 ) and inductors having LC low pass, where at all inductances to the inductor means ( 11 ) are summarized according to one of claims 1 to 16. Filterschaltkreis nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselspuleneinrichtung (11) ein Kondensatorennetzwerk (13) vor- oder nachgeschaltet ist, wobei die Kondensatoren (15, 17, 19, 21) derart zwischen den Leitern (23) sowie zwischen den Leitern (23) und Erdpotential (25) oder Zwischenkreis oder Netzsternpunkt angeordnet sind, dass differential mode und common mode Spannungen filterbar sind.Filter circuit according to Claim 18, characterized in that the choke coil device ( 11 ) a capacitor network ( 13 ) upstream or downstream, the capacitors ( 15 . 17 . 19 . 21 ) between the ladders ( 23 ) and between the ladders ( 23 ) and earth potential ( 25 ) or intermediate circuit or network star point are arranged so that differential mode and common mode voltages can be filtered.
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