DE2208853B2 - Anordnung zur drehzahlregelung eines ueber einen umrichter gespeisten asynchronmotors - Google Patents

Anordnung zur drehzahlregelung eines ueber einen umrichter gespeisten asynchronmotors

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DE2208853B2 DE19722208853 DE2208853A DE2208853B2 DE 2208853 B2 DE2208853 B2 DE 2208853B2 DE 19722208853 DE19722208853 DE 19722208853 DE 2208853 A DE2208853 A DE 2208853A DE 2208853 B2 DE2208853 B2 DE 2208853B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines über einen Umrichter mit Spannungen variabler Frequenz und zur Frequenz proportionalen Amplitude gespeisten Asynchronmotors mit einem Soll-Istwert-Vergleich für die Drehzahl, dessen Ausgangssignal einem Regler vorgegeben ist, dessen Ausgangssignal einerseits der Einrichtung zur Steuerung der Spannungsamplitude zugeführt ist, mit einer Einrichtung zur Bestimmung eines dem Motorschlupf proportionalen Signals aus dem Reglerausgangssignal und dem Drehzahlistwert. Eine derartige Anordnung ist aus der VDE-Buchreihe »Energieelektronik und geregelte elektrische Antriebe«, 1966, Bd. 11, Seiten 549-550, bekannt.
Der Asynchronmotor mit Käfigläufer übertrifft zahlenmäßig alle heute eingesetzten Elektromotoren. Der Hauptgrund für diese Popularität ist die Einfachheit, Unempfindlichkeit und Zuverlässigkeit, die dieser Motortyp von Natur aus aufweist. Da der Asynchronmotor jedoch im Grunde eine Maschine mit konstanter Drehzahl ist, wenn er am Netz konstanter Frequenz betrieben wird, wird er bei variable Drehzahlen erfordernden Anwendungen kaum benutzt, und in großen, reversierenden Antrieben, wie sie z. B. in Stahlwalzwerken erforderlich sind, wird er praktisch überhaupt nicht eingesetzt. Anwendungen dieser Art erfordern die Verwendung von Gleichstrommotoren mit Kommutatoren oder Synchronmaschinen mit Schleifringen. Kommutatoren, Schleifringe, Stangenstromabnehmer oder andere flexible Mittel zur Leitung von elektrischer Energie sind jedoch z. B. der Abnutzung und Lichtbogenbildung unterworfen und erfordern infolgedessen eine häufige Inspektion und Wartung.
Das Wachstum der Siliziumtechnologie hat die Kosten von Leistungshalbleitern kontinuierlich gesenkt und hai nun den Punkt erreicht, wo Umrichter eine wirtschaftliche Einrichtung zur Umwandlung der festen Frequenz eines mehrphasigen Leistungsverteilersystems in eine variable Frequenz zur Verwendung in Asynchronmotoren darstellen. Die Kosten der Zusammenschaltung eines Motors und eines Umrichters sind mit denjenigen für das Gleichstromsystem konkurrenzfähig geworden, und diese Zusammenschaltung bietet die Vorteile eines stabilen Aufbaues des Käfigläufermotors, der keine Schleifringe oder Kommutatoren erfordert. Ein wichtiges Bindeglied in einem Antriebssystem dieser Art ist ein Regler, der für eine maximale Leistungsfähigkeit des gesamten Antriebs ohne Einbuße an Betriebssicherheit sorgt.
Die eingangs genannte bekannte Anordnung ist jedoch nachteilig bei schnellen Drehzahländerungen oder Reversierungen, da die dabei auftretenden sehr hohen Ströme den Motor beschädigen könnten und er zum »Kippen« neigt.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Anordnung derart auszubilden, daß der Asynchronmotor sämtlichen aufgezwungenen Drehzahländerungen mit der maximal möglichen Geschwindigkeit ohne zu »kippen« folgt.
Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Regler ein Integralregler ist, daß das Motorschlupfsignal über eine Begrenzungseinrichtung dem Drehzahlvergleich zugeführt ist daß das Eingangssignal des Integralreglers durch eine Eingangsbegrenzerschaltung auf einen bestimmten Wert begrenzt ist und daß das Motorschlupfsignal als Zusatzgröße der Einrichtung zur Steuerung der Spannungsamplitude aufgeschaltet ist.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auch bei Antrieben mit stark variierenden Drehzahlen oder reversierenden Drehrichtungen anstelle von Gleichstrommotoren Asynchronmotoren in Verbindung mit Umrichtern verwendet werden können, da erfindungsgemäß die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz der Speisespannung und somit der Schlupf in einer Weise begrenzt wird, daß das Lastmoment nicht größer als das Kippmoment wird, d. h., daß der Motor nicht »kippt«. Mit der Regelungsanordnung gemäß der Erfindung wird also auf der Drehzahl-Drehmomentkurve ein Arbeitspunkt zwischen der frequenzabhängigen synchronen Drehzahl und der Kippdrehzahl nachgeführt.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine typische Drehmoment-Drehzahlkurve eines Asynchronmotors;
Fig. 2 zeigt Drehmoment-Drehzahlkurven eines Asynchronmotors bei verschiedenen Frequenzen;
Fig.3 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Drehzahlregelung eines Induktionsmotors;
F i g. 4 zeigt die Bauteile, die in der Schlupfbegrenzungsschaltung 99 gemäß Fi g. 3 verwendet sind;
F i g. 5 zeigt eine andere Schaltung zur Erzeugung eines Wechselstromes mit variabler Frequenz zur Drehzahlregelung eines mehrphasigen induktionsmotors.
In Fig. 1 sind die grundlegenden Drehzahl-Drehmoment-Charakteristiken eines typischen mehrphasigen Induktionsmotors graphisch dargestellt. Der Induktionsmotor wird von einer mehrphasigen Leistungsquelle gespeist, die eine konstante Spannung und eine konstante Frequenz besitzt. Die Drehzahlwerte sind auf der Ordinate oder der vertikalen Achse 11 aufgetragen, während die Drehmomentwerte durch Werte auf der Abszisse oder horizontalen Achse 13 des Kurvenbildes
, nt sind Die Abszisse 13 und die Ordinate 11 arge?iei sich in einem Punkt 15, der sowohl für die ch1f w «K auch für das Drehmoment des Motors den )re,ht darstellt. Drehzahlwerte oberhalb der Ab-4ullpÜ Hen Dositive Drehzahlen oder solche im ; ,zisse solle, ν darstellen. Hie Drehzahlwerte
jhrze.ge.-snir. ( )^ ^ ^ ^^ Drellzahlen
Jf She im Gegenuhrzeigersinn (CCW) zu betrach-0 f ähnliche Weise sollen Drehmomentwerte auf ten. Aul ai e der Ordin!lte lt positive oder solche ι
deri lhSeigersinn (CW) und Drehmomentwerte auf der ,mUnrzug Ordinate negativ oder solche im
linken Seersinn (CCW) darstellen.
er Festlegung wird auf andere signifikante nunkte des Kurvenbildes hingewiesen. Es ι, daß die Motordrehzahl Null zlich bei der Drehzahl Null ι, so würde ein Drehmoment
Der zweite 9uad"n» Bremszustand M
darin bcslchen. den Motor
Punkt
wird, <
Drehzahl des
zahl Npo
Wenn
Kurve 19 dargestellt sind, bis an einem Kurve 19 ein maximaler Wert erreicht - ' ' ' wird. Die 'bemerkt, daß die synchrone Drehzahl eines
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ohne Las, laull. wird «h sein.
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tung, obwohl das aun;u u....
Drehmoment positiv oder im Uhrzeigersinn ist. Dies ist durch die Kurve i9 im vierter. Quadranten des Kurvenbildes dargestellt. Die vorstehende Beschreibung gilt für Bedingungen, wo der Motor die Last in der positiven oder Uhrzeigerrichtung antreibt.
kurven eines Induktionsmotors aargc«i.m, .. „_ „ Kurve die Betriebszustände bei einer unterschiedlichen Frequenz zeigt. Wie in F i g. 1 sind die Drehzahlwerte des Motors auf der Ordinate 11 dargestellt, während die in dem Motor entwickelten Drehmomentwerie auf der Abszisse 13 aufgetragen sind. In ähnlicher Weise sind an dem Schnittpunkt 15 der Abszisse 13 und der Ordinate 11 die Werte sowohl des Drehmoments als auch der Drehzahl Null. Die Polarität des Motormomentes und der Drehzahl des Motors ist identisch mit denjenigen, wie sie in F i g. 1 bezüglich der Abszisse 13 und der Ordinate 11 beschrieben sind. Somit sind im ersten Quadranten sowohl das Drehmoment als auch die Drehzahl des Motors positiv oder im Uhrzeigersinn gerichtet. Im zweiten Quadranten ist die Drehzahl positiv, während das Motormoment negativ ist. Der dritte Quadrant stellt eine negative Richtung oder Gegenuhrzeigerrichtung .sowohl für das Motormoment als auch für die Motordrehzahl dar, und im vierten Quadranten ist das Motormoment positiv, während die Drehzahl negativ ist.
1 Da die Polarität der Drehzahl (d. h. die Drehrichtung) eine Funktion der Polarität des Drehfeldes des Motors ist, und diese wiederum eine Funktion der Phasenfolge des dem Motor zugeführten mehrphasigen Wechselstromes ist, wird die die synchrone Drehzahl des Motors bestimmende Frequenz der den Motor speisenden Wechselstromquelie zur Erläuterung in positiven und negativen Werten ausgedrückt. Somit speist beispielsweise in Fig.2 eine Wechsel-
stromquelle einen Induktionsmotor bei - 30 Hz, wodurch angezeigt ist, daß die synchrone Motordrehzahl negativ oder im Gegenuhrzeigersinn ist und durch die Frequenz von 30 Hz bestimmt wird. Der Motor treibt deshalb eine Last in der Gegenuhrzeigerrichtung an, wie es durch die Kurve 30 angegeben ist. Es sei nun angenommen, daß die Last sehr klein ist, so daß das durch den Motor entwickelte Drehmoment sehr klein bzw. nahe bei Null liegt. Wenn nun der Motor beispielsweise zunächst abgebremst und dann auf eine Drehzahl beschleunigt wird, die gleich der +70Hz entsprechenden synchronen Drehzahl in der entgegengesetzten Richtung ist, muß der Motor zunächst ein positives Drehmoment entwickeln, damit er eine Bremskraft Hefen, um seine Trägheit und den Stillstand zu überwinden.
Zur Erläuterung sei angenommen, daß die Umkehrung der dem Motor zugeführten Leistung augenblicklich erfolgt. Die Trägheit des Systems verhindert eine augenblickliche Änderung der Drehzahl; somit wandert der Arbeitspunkt augenblicklich zum Punkt 32 der + 70-Hz-Kurve 31 bei der konstanten Drehzahl. Das Drehmoment wandert augenblicklich von einem negativen Wert am Punkt 34 zu einem positiven Wert am Punkt 32 auf der Kurve. Das durch den Motor an diesem Punkt entwickelte Drehmoment ist sehr klein. Die Drehzahl ist noch negativ, bis die Kurve 31 die Abszisse 13 schneidet. An diesem Punkt ist die Drehzahl Null,d. h. der Motor steht still. Von dort an verläuft die Drehzahl des Motors in der Uhrzeigerrichtung wie das in dem Motor entwickelte Drehmoment.
Während einer augenblicklichen Reversierung, wie sie oben beschrieben wurde, ist der in dem Motor entwickelte Strom sehr groß. Möglicherweise kann er das vier- bis sechsfache des Motornennstromes betragen. Dieser hohe Strom könnte den Motor möglicherweise beschädigen. Somit müssen in der Motorrcgelung Mittel vorgesehen sein, um einen derartigen Zustand zu beherrschen. Der zur Regelung der Drehzahl und der Drehrichtung des Motors verwendete Regler muß eine Einrichtung umfassen, um die Motordrehzahl und die Frequenz der Wechsclstromqucllc (synchrone Motordrehzahl) zusammen »nachzuführen«. Somit ist es in dem Beispiel, wo die Frequenz und die daraus resultierende synchrone Motordrehzahl von - 30 Hz auf + 70 Hz wird, erforderlich, daß die Änderungsgeschwindigkeit der synchronen Motordrehzahl auf einem Wert gehalten wird, der die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl des Motors in irgendeinem bestimmten Augenblick »vUnrend der Drehzahländerung begrenzt. Somit muß, wie in F i g. I, der Betrieb des Motors so erfolgen, daß die Drehzahl-Drehmomentwerte des Motors während einer Drehzahländerung innerhalb eines dem Kästchen 25 äquivalenten Kästchens bleiben, das hinsichtlich der Drehzahl in vertikaler Richtung oben durch die synchrone Drehzahl Ns>und unten durch die Kippdrehzahl /V,», und in horizontaler Richtung niif der linken Seite durch das Nullmomcnt und auf der rechten Seite durch das Kippmoment T/H, begrenzt ist. Während der oben beschriebenen Drehzahländerung UMd Richtungsänderung des Motors kann jedes Drehzahl-Drchmomcntkästchen so betrachtet werden, daß es von -30H/. bis +70H/. mit einer Geschwindigkeit vertikal rutscht, die die in dem Motor entwickelten Drehzahlen und Drehmomente auf Werten liiilt, die m allen Zeiten innerhalb der Grenzen dieses Kästchens liegen, Wenn auf ähnliche Weise der Motor beispielsweise eine Last mit einer Drehzahl antreibt, die der synchronen Drehzahl von +70Hz entspricht und auf eine Drehzahl abgebremst wird, die der synchronen Drehzahl von +50 Hz entspricht, muß die Geschwindigkeit der Frequenzänderung, die die Abgrenzung bewirkt, so sein, daß die durch den Motor entwickelten Drehzahl-Drehmomentwerte innerhalb der durch das Kästchen gegebenen Grenzen gehalten wird, wobei sich das Kästchen zur kleineren Frequenz bewegen soll. Der die Motordrehzahl regelnde Regler muß deshalb eine Vorrichtung aufweisen, durch die die Frequenzänderung der Quelle auf eine Geschwindigkeit begrenzt ist, bei der der Motor das maximal mögliche Drehmoment Tp0 entwickeln kann, ohne daß die durch das Kästchen dargestellten Grenzen überschritten werden.
Das maximale Drehmoment eines Motors ist eine Funktion seiner Auslegung und ist ein vorbestimmter spezifizierter Wert, der auf dem Magnetfluß im Motor basiert. Der Magnetfluß ist eine direkte Funktion der bei einer vorbestimmten Frequenz an den Motor angelegten Spannung. Wenn somit ein Induktionsmotor für einen Betrieb an einer Quelle von 60 Hz bei 40 V ausgelegt ist, ist die Größe des Kippmoments dadurch klar definiert. Daraus folgt, daß, wenn eine Möglichkeit zur Veränderung der bei irgendeiner Frequenz an den Motor angelegten Spannung besteht, das Kippmoment von sehr kleinen Werten auf einen Wert eingestellt werden kann, der im folgenden als magnetische jo Sättigung des Motors bezeichnet wird. Die Sättigung des Motors wird erreicht, wenn die Größe und Frequenz der an den Motor angelegten Spannung auf einer Höhe liegen, für die der Motor aufgelegt ist. Die Zyklonkonverterregelung oder der Regler für eine variable Frequenz, wie er hier beschrieben wird, sorgt für die Möglichkeit der Übererregung des Motors. Dies bedeutet, daß der Regler die Fähigkeit besitzt, den Flußpunkt des Motors auf einen Wert zu drücken, der größer ist als derjenige, für den der Motor ursprünglich ausgelegt war. Da die magnetische Sättigung eines Induktionsmotors kein »scharf ausgeprägter Wert« ist, sondern über einem vorbestimmten Bereich etwas flexibel ist, ist eine angemessene Vergrößerung des Motorflusses möglich. Dieses Konzept beinhalte!, daß von einem Induktionsmotor auf transienter Basis durch Übererregung des Motors für kurze Zeiträume größere Spitzenmomentwcrte erhalten werden können. Diese Charakteristik und desgleichen das Konzept des gleitenden oder wandernden Kästchens bei dci so Veränderung der Frequenz von einem Wert auf einer anderen ist in den Regler aufgenommen worden.
In Fig.3 ist ein als Potentiometer 41 dargestellte Bczugsdrchzahlgcber zwischen eine positive Sammcl schiene 43 und eine negative Sammelschiene 4! SS gcschiiltet. Das Potentiometer 41 hut die Fähigkeit, ai einem ohmschen Widerstand 47 ein Spannungssignu anzulegen, dessen Polarität entweder positiv odc negativ ist und das einen Wert annehmen kann, der nah dem Wert der positiven oder negativen Sammclschicn (ίο 43 bzw. 45 liegt. Der ohmschc Widerstand 47 ist mil der Eingang eines Integrators 49 verbunden, der eine ohmschen Widerstand 52, einen Kondensator 53, eine Verstärker 55 und eine Summierstcllc 51 aufweist. In dt Theorie erzeugt ein Integrator ein Ausgangssignal, di <\s das Zeitintcgral seines Eingangs ist. In der Praxis jcdoc wird das Ausgangssignal durch die Verluste im Veränderungen beeinflußt, die aus Hcrstclliingstolcrai /en seiner Konstruktionskomponenten resultiere
Somit gleicht infolge der Streuung bzw. Ableitung im Kondensator S3 das Ausgangssignal des Integrators 49 im kleineren Maße dem Ausgangssignal eines Tiefpaßverstärkers mit großer Verstärkung. Diese Art eines Verstärkers ist dem Integrator 49 ähnlich, außer daß er ferner einen Widerstand aufweist, der dem Kondensator 53 parallelgeschaltet ist, wodurch die Empfindlichkeit bei höheren Frequenzen etwa gleich der Empfindlichkeit eines Integrators ist. Im tieferen Frequenzbereich ist die Empfindlichkeit jedoch viel kleiner. Es ist deshalb möglich, den Integrator 49 durch einen Tiefpaßverstärker mit großer Verstärkung zu ersetzen und somit das Ausgangssignal im unteren Frequenzbereich in bezug auf das Ausgangssignal des Integrators zu modifizieren.
Zur Erläuterung wird zwar das Wort »Integrator« verwendet Es sollen hiermit jedoch alle Verstärker des oben beschriebenen Typs eingeschlossen sein, die Ausgangssignale im Verhältnis zu ihren Eingangssignalen erzeugen, die auf diese für einen Zeitraum einwirken.
Das dem Integrator 49 zugefiihrte Drehzahl-Bezugssignal ist ein Spannungssignal, dessen Polarität die gewünschte Drehrichtung des Motors und dessen Spannungsgröße die Betriebsdrehzahl bestimmt, bei der der Motor laufen soll. Dieses Drehzahl-Bezugssignal wird mit einem Spannungsausgangssignal (ein Drehzahl-Rückkopplungssignal) eines Tachometers 57 verglichen, da, mit einer Welle eines Antriebsmotors 59 mechanisch gekoppelt ist. Wenn eine Differenz besteht zwischen den Spannungswerten der zwei Signale, von denen das eine die gewünschte Drehzahl und das andere die tatsächliche Betriebsdrehzahl darstellt, entsteht ein Spannungssignal, das dem Integrator 49 zugeführt wird. Der Integrator 49 liefert ein Ausgangssignal, das die Änderung in entweder der positiven oder der negativen Richtung fortsetzt, was von der Polarität des Spannungssignals abhängt, das aus der Kombinierung des Bezugssignals und dem Rückkopplungssignal vom Tachometer 57 entsteht.
Die Ausgangsgröße des Integrators wird einer Zwischenschaltung 62 des Reglers zugeführt, in der das Ausgangssignal des Integrators modifiziert wird, um die Motoreingangslcistung zu bilden. In dem dargestellten Beispiel enthält die Zwischenschaltung einen Analog-/ Pulsfo'gekreis 61, dessen Betrieb in der Patentanmeldung P 20 64 685.9 näher beschreiben ist. Dieser Kreis erzeugt, kurz gesagt, eine Impulsscric, deren Folge dem seinem Eingang zugeführten Spannungswert proportional ist. Die aus diesem Kreis 61 resultierende Impulsseric wird einem Sinuswcllcn-Verglcichskrcis 63 zugeführt, der in der deutschen Patentanmeldung P 20 45 971.6 nühcr beschrieben ist. Der Sinuswcllcn-Verglcichskreis 63 erzeugt ein mehrphasiges Wechselitrom-Ausgangssignal, das einem Zyklonkonvcrtcr 65 zugeführt wird. Die Impulsfolge der Impulsscric des Analog'/lmpulsfolgckrciscs 61 bestimmt lctzlich die Frequenz der Wcchscliitromausgangsgrößc, die dann die synchrone Drehzahl eines Motors 59 bestimmt.
Mit dem Zyklonkonvcrtcr 65 ist eine Stromquelle <>0 verbunden, um dem Motor 59 Strom im Verhältnis zur Amplitude des Ausgangssignal« von dem Sinuswcllen-Vcrglcichskrcis 63 zu !liefern. Neben der Erzeugung einer Pulsfolgc, die der Eingungsspannung proportional isl, liefert der AniilogVIlmpulsfolgekrcis 61 ein Polurilätssignal, das, wenn es dem Sinuswcllcn-Vcrglcichs· krcis 63 zugeführt wird, die Phuscnbczichung oder Phasenfolge der dem Motor 59 durch den Zyklonkonvcrtcr 65 zugeführten Leistung bestimm!. Infolgedessen bewirkt cine PoltirilHtsandcrung in der Ausgangsspan nung des Integrators 49 eine Änderung in der Phasenfolge-Ausgangsgröße des Sinuswellen-Vergleichskreises 63 und des Zyklonkonverters 65, wodurch eine Reversierung der Rotation des Motors 59 entsteht S Die Größe der Ausgangsspannung des Integrators 49 bestimmt die Frequenz der Ausgangsgröße des Analog'/lmpulsfolgekreises 61, des Sinusweüen-Vergleichskreises 63 und des Zyklonkonverters 65. Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die
ίο Geschwindigkeit der Änderung in der Drehzahl des Motors 59 von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit der sich das Ausgangssignal des Integrators 49 ändert, das selbstverständlich von dessen Eingangsspannung abhängig ist. Wie bereits beschrieben wurde, ist es
wesentlich, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz und infolgedessen die Änderungsgeschwindigkeit der synchronen Motordrehzahl begrenzt ist, um sicherzustellen, daß die Motordrehzahl größer ist als die Kippdrehzahl (Np0 gemäß Fig. 1) des Motors. Um die
maximale Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz der Quelle und infolgedessen der synchronen Motordrehzahl zu begrenzen, ist eine Geschwindigkeitsfeststellungsschaltung 67 vorgesehen. Wie bereits vorstehend angegeben wurde, wird die integrationsgeschwindigkeit im Integrator 49 durch die Differenz des Drehzahl-Bezugssignals vom Potentiometer 41 und dem Ausgangssignal des Tachometers 57 bestimmt, die beide der Summierstelle 51 zugeführl werden. Die Geschwindigkeitsfeststellungsschaltung 67 weist einen ohmschen Widerstand 69 auf, der mit dei Anode einer Diode 71 und der Kathode einer Diode 73 verbunden ist. Die Kathode der Diode 71 ist mit dei Anode der Diode 73 und dem Tachometer 57 verbunden. Die Dioden sind somit in einer Weise verbunden, die normalerweise als Antiparallelschaltung bezeichnet wird, wo die eine Diode Strom in der einer Richtung leitet, während die andere Diode sperrt und umgekehrt. Die derzeitige Siliziumdiode hat einer Durchlaßspannungsabfall von etwa 0,7 Volt Somit besteht die allgemeine Aufgabe der antiparallel geschalteten Dioden 71 und 73 in Verbindung mit dem ohmschen Widerstand 69 und dem Tachometer 57 darin ein maximales Eingangssignal von 0,7 Volt für der Integrator 49 aufrechtzuerhalten. Sollte die Differenz ir der Spannung zwischen dem Drehzahl-Bezugssigna von dem Potentiometer 41 und dem Drchzahl-Rückkopplungssignal von dem Tachometer 57 an dei Verbindungsstelle der Widerstände 47 und 52 eine Spannung erzeugen, die 0,7 Voll entweder in der posi-
M> tivcn oder negativen Polarität überschreitet, hält die Gcsdiwindigkcitsfcststcllungsschnltung 67 die Eingangsgröße des Integrators auf maximal 0,7 Volt. Somit ist die Eingangsgröße in den Integrator 49 auf 0,7 Voll festgesetzt, wodurch ein zusätzlicher Strom durch die
ss Dioden 71 und 7> Hießt, der der erhöhten Spannung proportional isl. Diese erhöhte Spannung gestattet, dat! die Differenz zwischen der Spannung des Eingangssignals und der 0,7-Volt-Bcgrcnzung entweder über der Reihenschaltung aus dem Widerstand 69 und dem
(«1 Tachometer 57 oder der Reihenschaltung aus dem Widerstand 47 und dem Drehzahl-Bczugspotcntiomctcr 41 auftritt. Wenn somit dem Integrator 49 eine feste Einspeisung von 0,7 Volt zugeführt wird, entsteht ein fester Strom, der dein Kondensator 53 zugeführt wird
(>s wodurch sich dieser Kondensator mit einer festen Geschwindigkeit auflädt. Bei einer festen l^adcgcschwindigkcil des Kondensators 53 erzt gl der Integrator eine Ausßangsspannung, clic sich mit einer
ίο
vorbestimmten konstanten Geschwindigkeit ändert Die 97 Volt, die durch die Geschwindigkeitszwangsschal-UmE zugeführt werden, ist deshalb ein maximales Eingangssignal in den Integrator 49, und die e.nen kleinen Wert aufweisenden Signale (Signale von weniger ab 0.7 Volt) von dem Drehzahl-Bezugspotentiometer 41. die der Summierstelle 51 zugeführt werden, werden durch die Geschwindigkeitsfeststellungsscnaltung nicht beeinflußt In diesem Falle bewirkt die einen kleinen Wert darstellende Differenz, die aus der ,0 Kombiraerung der Tachometer-Ausgangsgröße und des Drehzahl-Bezugssignals resultiert, daß sich die Ausgangsgröße des Integrators mit einer Geschwindigkeit bewegt, die der bestehenden Differenz zwischen den zwei Eingangssignalen folgt Wenn dem Integrator 49 l$ jedoch eine sehr große Differenz, dh, wenn dem Integrator 49 eine große augenblickliche Änderung in der Ausgangsgröße des Drehzahl-Bezugspotentiometers 41 zugeführt wird, begrenzt die 0,7-Volt-Ausgangsgröße der Geschwindigkeitsfeststellungsschaltung die Änderung in der Ausgangsgröße des Integrators auf einen vorbestimmten Wert Dies führt zu einer Begrenzung der Geschwindigkeitsänderung in der Frequenz und selbstverständlich der Geschwindigkeitsänderung im Motordrehmoment Die Höhe dieser Begrenzung wird durch die Größe des Widerstandes 52 bestimmt der mit dem Integrator 49 in Reihe liegt
Da ein Motor eine induktive Vorrichtung ist, beinhaltet das Erfordernis der Aufrechterhaltung einer konstanten Flußdichte, daß die Höhe der Spannung, die dem Motor pro Schwingung und Sekunde zugeführt wird, auf einem konstanten Wert gehalten wird. Wenn ein Motor beispielsweise bei einer Spannung von 440 Volt und einer Frequenz von 60 Schwingungen pro Sekunde (60 Hz) arbeitet, um eine gewünschte magnetisehe Flußdichte zu erhalten, dann muß, wenn die Frequenz auf 30 Schwingungen pro Sekunde geändert wird, der Motor bei 220 Volt betrieben v/erden, damit die Flußdichte auf einer konstanten Höhe gehalten wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist eine die Spannung/Schwingung/Sekunde (Spannung/ Frequenz) konstanthaltende Schaltung 81 vorgesehen, um eine konstante Beziehung in der Frequenz des dem Motor zugeführten Wechselstromes und der Amplitude der zugehörigen Spannung aufrechtzuerhalten. Die für eine konstante Spannung/Schwingung/Sekunde sorgende Schaltung bl erhält ein Eingangssignal von dem Integrator 49 und erzeugt daraufhin ein Spannungssignal, das, wenn es dem Sinuswcllen-Vergleichskrcis 63 zugeführt wird, bewirkt, daß dieser Sinuswcllen-Vcrglcichskrcis die Amplitude seines Ausgangssignals dementsprechend einstellt. Da das Ausgangssignal des Integrators 49 auch die Frequenz des Ausgangssignals des Sinuswcllcn-Vcrglcichskrciscs 43 indirekt bestimmt, wird deutlich, daß die Frequenz, und die Amplitude des Sinuswcllen-Vcrglcichskreiscs gleichzeitig eingestellt werden. Die für eine konstante Spannung/Schwingung/ Sekunde sorgende Schallung 81 enthält einen Operationsverstärker 83, einen Rückkopplungswidcrstand 85, der über die Ausgangs- und Eingangsanüchlüssc des Verstärkers 83 geschaltet ist, und einen Reihenwiderstand «7, der zwischen den Ausgang des Integrators und eine Summicrstcllc 89 geschaltet ist, die ihrerseits den Eingang zum Verstärker 83 bildet. Die Funktionen eines Operationsverstärkers sind für den Fachmann allgemein bekannt und in dem Amplifier Handbook (Seiten 19-3 bis 19-38), McGraw-Hill Book Company von Richard H. Shca (Hauptherausgeber), Library of Congress Card No. 64-66296. vollständig beschrieben. Kurz gesagt ist ein Operationsverstärker ein Verstarker mit großer Verstärkung; dh. das Verhältnis von Ausgangs- zur Eingangsgröße ist sehr groß. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verstarkereingangsgröße durch das Verhältnis der Werte des Rückkopplungswiderstandes 85 und des Eingangswiderstandes 87 bestimmt Die Funktion dieser zwei Widerstände besteht darin, daß die Eingangsspannung in den Verstärker 83 einen Wert annimmt der gegen Null geht Die Ausgangsgröße des Verstärkers ist die Umkehrung der Polarität der Eingangsgröße.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 83 ist mit dem Sinuswellenvergleichskreis 63 verbunden, so daß, wenn sich die Ausgangsspannung des Integrators 49 ändert sich die Ausgangsgröße des Operationsverstärkers 83 umgekehrt ändert und den Sinuswellen-Vergleichskreis veranlaßt eine dazu entsprechende Spannungsänderung zu erzeugen. Das Ergebnis ist eine Modifikation der Ausgangsgröße des Sinuswellen-Vergleichskreises, wodurch eine konstante Spannung/Frequenz durch den Zyklonkonverter 65 erhalten wird
Fig.2 zeigt ohne Bezug auf die verwendete Frequenz, daß die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl eines bestimmten Motors und der Kippdrehzahl dieses Motors immer eine konstante Anzahl von Umdrehungen pro Minute ist, die durch den Abstand zwischen N^1, und N1x, angegeben ist Wenn das Lastmement vergrößert wird, sinkt die tatsächliche Drehzahl des Motors. Eine weitere Erhöhung des Lastmomentes senkt die Motordrehzahl eventuell auf einen Punkt, wo das Lastmoment größer als das Kippmoment des Motors ist, wodurch der Motor stehenbleibt Innerhalb der zulässigen Grenzen, d.h. zwischen der synchronen Drehzahl Nsyn "n" d^r Kippdrehzahl Np0, kann die Last geändert werden. Die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl des Motors wird als Schlupt bezeichnet. Diese Festlegung unterscheidet sich von der üblichen Definition, wo der Schlupf als die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl dividiert durch die synchrone Drehzahl definiert wird, so daß er einen normierenden Faktor darstellt Somit kann bei Kenntnis der synchronen Drehzahl des Motors und der tatsächlichen Drehzahl des Motors (Rückkopplungssignal vom Tachometer 57) der Schlupf berechnet werden. Die Berechnung führt zu einem Schlupfwert, der eine Anzeige für die Differenz zwischen der Drehzahl, bei der der Motor arbeitet, und seiner synchronen Drehzahl ist. Der Wert des Schlupfes wird in dem Regler benutzt, um zu verhindern, daß dci Motorschlupf einen Wert überschreitet, der den Schlupfmoment entspricht.
Es sei nun wieder auf Fig.3 verwiesen, die cin< Maximalschlupfschaltung 91 zeigt Diese enthält einci Verstärker 93, der ein Eingangssignal vom Ausgang de Integrators 49 über einen Widerstand 95 und ein zweite Eingangssignal von dem Tachometer 57 über cinci Widerstand 97 erhält Die Funktion des Verstärkers tin. der Eingangswiderstände besteht darin, die Eingang! signale über die Widerstände 97 und 95 voneinander τ subtrahieren. Der Ausgang des Verstärkers 93 ist m einer Schlupfbcgrcnzungsschaltung 99 verbunden. o< rcn Ausgangsgröße über einen Widerstand 101 d( Summicrstcllc 51 zugeführt wird. Die internen Verb« düngen der Schlupfbcgrcnzungsschaltung 99 sind F i R. 4 gezeigt und werden später beschrieben. Wie bereits vorstehend ausgeführt wurde, bcslimr
die Ausgangsgröße des Integrators 49 die Frequenz. Somit kann die Frequenz einfach auf die synchrone Motordrehzahl bezogen werden, so daß, sobald dem Motor einmal ein Frequenzwert zugeführt ist, auch ein Wert der synchronen Motordrehzahl existiert Der Tachometer 57 liefert ein Signal, das der tatsächlichen Motordrehzahl proportional ist. Diese zwei Werte werden durch die Widerstände 95 und 97 bemessen oder eingestellt, um sie zu ähnlichen Einheiten zu machen, und dann werden sie im Verstärker 93 subtrahiert Der Verstärker ist so angeordnet, daß das eine über den Widerstand 97 zugeführte Eingangssignal invertiert wird, während das andere, über den Widerstand 95 zugeführte Eingangssignal im normalen Zustand bleibt. Die dabei entstehende Ausgangsgröße aus dem Verstärker 93 ist ein Spannungssignal, das der Differenz zwischen der synchronen Motordrehzahl von dem Integrator 49 und der tatsächlichen Motordrehzahl von dem Tachometer 57 proportional ist. Dieses Ausgangssignal von dem Verstärker 93 wird der Schlupfbegrenzungsschaltung 99 zugeführt. Wenn das Spannungssignal von dem Verstärker 93 während einer Drehzahländerung einen Wert erreicht, der gleich der Kippdrehzahl des Motors ist, muß die Eingangsgröße in dem Integrator 49 auf einem Nullwert gehalten werden, um zu verhindern, daß sich die Frequenz der dem Motor 59 zugeführten Zyklonkonverter-Ausgangsgröße weiter verändert, und zwar so lange, bis der Motor in seinen Betriebsbercich (siehe Kästchen 25 in F i g. 1) zurückgekehrt ist. Sollte mit anderen Worten der Schlupf einen Wert erreichen, der bewirken würde, daß die tatsächliche Drehzahl des Motors gleich seiner Kippdrehzahl ist, dann erzeugt die Schlupfbegrenzungsschaltung unter dem Einfluß der Ausgangsgröße aus dem Verstärker 93 ein Signal, das verhindert, daß der Integrator seine Ausgangsgröße so schnell ändert, als es die Geschwindigkeitsfesistellungsschaltung 67 erlaubt. Die Maximalschlupfschaltung 91 ist deshalb so lange nicht wirksam, wie der Motor nicht ein größeres Drehmoment als das Kippmoment entwickeln muß. An diesem Punkt setzt dann die Wirkung der Schlupfbegrenzungsschaltung ein und verkleinert die Geschwindigkeit, mit der die Frequenz des dem Motor zugeführten Wechselstromes verändert werden kann.
Es ist eine Schaltung 121 mit der Bezeichnung »Spannung/Schwingung/Sek.- Kompensation« vorgesehen, um die dem Motor 59 zugeführte Spannung genügend zu vergrößern, um den Spannungsabfall über dem Rotorwirkwiderstand und der Rotorreaktanz zu kompensieren und zu überwinden, wenn die an den Motor angelegte Last vergrößert wird. Es sei bemerkt, daß sich auch der Schlupf vergrößert, wenn die Last erhöht wird. Deshalb kann der Schlupf dazu verwendet werden, die Größe der an den Motor angelegten Spannung zu verändern, um den zusätzlichen Schlupf zu kompensieren. Es ist auch möglich, leicht zu übcrkompcnsicren, wodurch eine Verstärkung in der Ausgangsgröße des Motors erzielt wird. Diese Verstärkung kann Ober der gewöhnlichen Ausgangsgröße des Motors liegen, für die er ausgelegt ist. Es ist unter gewissen Umstunden möglich, den Motor für eine kurze Dauer um 50% übcrzucrrcgcn, um einen Hochtcistungsantricb zu erzielen und eine Motorrcvcrsicrung oder Geschwind'igkcitsttndcrungcn in der klcinstmöglichcn Zeit zu erlauben. Dies ist das allgemeine Prinzip und die Funktion der Spannung/Schwingung/Sck.-Kompensationsschaltung 121, die nicht nur für eine Kompensation sorgt, wenn die Last ansteigt, sondern auch eine Überkompensation liefert, so daß der Motor am Kippmomentpunkt übererregt ist. Die Spannung/ Schwingung/Sek.-Kompensationsschaltung 121 enthält einen Invertierungsverstärker 123, einen Rückkopplungswiderstand 125, der zwischen den Ausgang und den Eingang des Verstärkers geschaltet ist, und einen Reiheneingangswiderstand 127, der mit dem Eingang des Verstärkers 123 verbunden ist, um das Ausgangssignal von dem Verstärker 93 der Maximalschlupfschaltung 91 aufzunehmen. Das von dem Verstärker 93 entwickelte Signal stellt den Schlupf dar (d. h. hier die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl des Motors und seiner tatsächlichen Drehzahl).
Wenn das von dem Verstärker 93 entwickelte Signal eine positive Polarität aufweist, wird es auch durch eine Diode 129 hindurch und über einen Widerstand 131 zur Summierstelle 89 geleitet. Die Eingangsgröße der Sinuswellen-Vergleichsschaltung 63 wird dadurch proportional eingestellt. Es sei bemerkt, daß das von dem Verstärker 93 entwickelte Signal positiv ist, wenn die synchrone Motordrehzahl größer als die tatsächliche Drehzahl ist. Es besteht auch die Möglichkeit, daß die synchrone Drehzahl kleiner als die Motordrehzuhl sein könnte. Ein derartiger Zustand besteht, wenn die Last den Motor antreibt, wie es beispielsweise bei einem Kran der Fall ist, wenn eine schwere Last abgesenkt wird. Wenn die synchrone Drehzahl kleiner ist als die Motordrehzahl, erzeugt der Verstärker 93 ein negatives Ausgangssignal, das über den Widerstand 127 zum Invertierungsverstärker 123 geleitet wird. Dieser Invertierungsverstärker erzeugt ein positives Signal, das über die Diode 132 und den Widerstand 1131 zur Summierstelle 89 geleitet wird. Somit ist das der Summierstelle 89 zugeführte Signal, das die Differenz
■)5 zwischen der synchronen Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl des Motors darstellt, immer positiv ohne Berücksichtigung der Beziehung zwischen der synchronen Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl des Motors. Das positive Signal erhöht die Eingangsgröße in die Sinuswellen-Vergleichsschaltung 63, wodurch bewirkt wird, daß der Zyklonkonverter 65 die Erregung des Motors 59 vergrößert.
F i g. 4 zeigt die inneren Komponenten der Schlupfbegrenzungsschaltung 99 gemäß F i g. 3. Vier Widerstände 171 bis 174 sind in Reihe geschaltet und haben an dci Verbindungsstelle der Widerstände 173 und 174 einer Mittelanschluß 175. Der Knotenpunkt zwischen der Widerstünden 171 und 173 ist mit der Kathode einei Diode 177 verbunden. Auf ahnliche Weise ist dei
.y> Knotenpunkt der Widerstände 172 und 174 mit dei Anode einer Diode 179 verbunden. Die Kathode dei Diode 179 ist mit der Anode der Diode 177 verbündet und bildet den Ausgangsanschluß 181 der Schlupfbc grcnzungsschaltung.
Eine positive Sammelschiene 165 führt dem Wider stand 173 und der Kathode der Diode 177 über dci Widerstand 171 Spannung zu. Eine negative Sammcl schiene 167 legt über den Widerstand 172 ein« Spannung an die Anode der Diode 179 und dci Widerstund 174. Die Widerstünde 173 und 174 sin< miteinander verbunden und ihr Knotenpunkt 175 bilde einen Eingangsanschluß in die Schlupfbcgrcnzungs schaltung.
Die Widerstände 171 und 172 besitzen Impedanzwcr te, die bezüglich der Impedanz der Widerstände 173 um 174 groß sind. Die Zusammenschaltung der Widcrstän de 171 bis 174 und der positiven und negative Snmmclschicncn 165 und 167 erzeugt einen konstante
Strom durch die W.derstände 173 und 174. Wenn der Schlupfbegrenzungsscnaltung kein Einga"gs*f™ ,™' geführt ist, liegt der Punk, 175 auf Null-Potential und es wird kein Ausgangssignal erzeugt, da der positive Strom
du.-ch die Diode 177 und der negative Strom durch die
positives Potential mit einem kleinen Wert von beispielsweise 1 Volt. Auf ähnliche Weise existiert an dem Verbindungspunkt 183 zwischen den Wide^anden ,o
172 und 174 ein negat.ves Potential von ebenfa Is 11 VoIt.
Es se. nun angenommen, daß dem Punkt 75 ein positives Eingangssignal von weniger als 1 Volt zugeführt wird. Dieses Signal kann keinen Strom durch den Widerstand 173 erzeugen, da das positive Po ential an dem Punkt 182 1 Volt beträgt. Deshalb !St dem Signalstrom durch den Widerstand 174 ein negatives Potential von 1 Volt entgegengerichtet das am Punkt 183 besteht. Durch die Diode 179 fließt kein Strom, da das Potential am Punkt 183 in bezug auf den Punkt 182 negativ ist, wodurch die Diode 179 in Spemchtung vorgespannt ist.
Wenn nun beispielsweise das Eingangssignal post ν ist und eine Größe von mehr als 1 Volt aufweist, wird der Punkt 183 positiv in bezug auf den Ausgangsan-Schluß am Punkt 181 und es fließt ein Strom durch die Diode 179. Infolgedessen erzeugt die Schaltung em Ausgangssignal. ,-,
Wenn in ähnlicher Weise das Eingangssignal negativ ist und mehr als 1 Volt beträgt, wird der Punkt 181 negativ und es fließt ein Strom von dem Ausgangsan-Schluß 181 durch die Diode 177. Infolgedessen erzeugt die Schaltung ein AusgangssignaL Die Eingangsspan-
SS1S ,rpßeLrdef^eräTT73bufS S erzeugt wird, der in der vorstehenden Betriebsspezifikation willkürlich mit 1 Volt gewählt: worden1 war. bevor en Ausgangssignal erzeugt wird. Die Schlupfbegren-
ÄÄagss mphmhasieen Induktionsmotors über einem Bereich ™*W™&™ oder menr. Unter Bedingungen mi,
geringeren' Anforderungen gibt es viele verfügbare ger n^n h , die die Zwischenschaltung 62
Zw'™™a g^ ^ Eine der haufi gemau^g. ist beispielsweis£. die Os21IIa-
!^Verstärkerschaltung 201, die in Pi,5 gezeigt
p · ohne daß sje auf eine derartige
Mg..t ze g · . eine ZweiphaSen-Schal-
Anordnung a. bg^ gsgesteuerten ^,^
tung t . ^ Eingang ^ dn Spannungssj.
-uiwew^. or 49 gemäß Fig 3 erhak Der
fPd. 6 t eine Vergleichswellenform von
^h »eider Polarität, deren Frequenz der Größe der ™™ proportional ist. Die Ausgangswelle
[P e7s,ärker 207 und einem Phasen- ^* efuhrt. In der Zweiphasenschaltung ser d^phas.E enschieber 209 eine Verschiebung von ^zeugt de' seine Eingangsfrequenz und führt diese
^^ ^ Aujg öße des
Oszillators 203 auf einen Lei- ^ dem Motor 213 gefordert wird. Der
s'u"gswert·^ d ,nduk,ionsmotor ähnlich wie der in Motor 213 Bt ein bei dem die hrone
Fig 3 g«Jge iona, zu der an seine Ei
Drehzahl djrekt^ ρ ^^ ist, so daß die Frequenz
Her durch den spannungsgeregelten Oszillator 203 der durch den ρ se hrone Drehzah, des
^f die Frequenz der Ausgangswelle QJlMors ^2 eine Funktion ^ ist, wird die synchrone ^l^ den Wert der Spannung am Su spannungsgerege.ten Oszillators 203
^eregeU Zwischenschaltung 62
In ähnlicher Weise ^^ ^ ^.^^
gemau . lg^J I11U 7I,$reführte Srjannune als
«uf die Ausgangsfrequenz der Regelung, solange der SchMmnerhalb der »gehend angegebene,. Gren-
in F i e 3 ist die Zwischenschaltung 62 des Reglers so ge igIMi^ sie dfe"Α^-/Impuls'fo.gescha.tung 61, die Sinuswellen-Vereleichsschaltung 63 und den Zyklonkonver^ 65 'umfaßt um dne mehrphasig^ Wechselstromeinspeisung mit va.iabler Frequenz für den Motor 59 ,/erzeugen. Der Spar.nungswert des somit erzeugten Wechselstroms und seine Frequenz werden konstant durch das System geregelt, das die Geschwindigkeitsfeststellungsschaltung 67, die MaximalschlupfscMtung 91, die für eine konstante Spannung/Schwingung/Sekunde sorgende Schaltung 81 und die Spannung/Schwingung/Sel-Kompensationsschaltung 121 umfaßt. Die gezeigte Schaltungsanordnung liefert eine Einrichtung zur Regelung der Drehzahl eines
Ausgangssign.l
änderungen eingestellt wird.
Alle anderen Funktionen ^ ^S^J^ der Maximalschlupfschaltung 91 und die Spannung/
^^^
übt werden, deren
89 der für eine ^JJ
künde sorgenden Schaltung e
stellen d.e Verstärkung der Vef J*"^"""". ϊ
Eine Stromquelle 213 in Fig.5. die der StromqueUe« in Fig.5 ähnlich ist. liefert die .Leistung fur di Verstärker 207 und 211, wodurch d.ese Verstarke -to einen Wechselstrom sorgen, der dem Motor 213 in den Maße zugeführt wird, das mit der Auslegung des Moton
übereinstimmt.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. /7
    Patentanspruch:
    Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines über einen Umrichter mit Spannungen variabler Frequenz und zur Frequenz proportionalen Amplitude gespeisten Asynchronmotors mit einem Soll-Istwert-Vergleich für die Drehzahl, dessen Ausgangssignal einem Regler vorgegeben ist, dessen Ausgangssignal einerseits der Einrichtung zur Steuerung der Frequenz und andererseits der Einrichtung zur Steuerung der Spannungsamplitude zugeführt ist, mit einer Einrichtung zur Bestimmung eines dem Motorschlupf proportionalen Signals aus dem Reglerausgangssignal und dem Drehzahlistwert, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein Integralregler ist, daß das Motorschlupfsignal über eine Begrenzungseinrichtung (99) dem Drehzahlvergleich zugeführt ist, daß das Eingangssignal des Integralreglers durch eine Eingangsbegrenzerschaltung (71, 73) auf einen bestimmten Wert begrenzt ist und daß das Motorschlupfsignal als Zusatzgröße der Einrichtung zur Steuerung der Spannungsamplitude aufgeschaltet ist.
    25
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