DE2605185B2 - Einphasen-Stromrichter - Google Patents

Einphasen-Stromrichter

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasen-Stromrichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 21 17 602 bekannten Art.
Bei dem bekannten Stromrichter wird eine Verminderung der bei der Kommutierung erzeugten höherharmonischen Ströme dadurch angestrebt, daß eine der Gleichrichterbrücken mit einer an die Mittelanzapfung der zugehörigen Sekundärwicklung des Transformators angeschlossenen Drosselspule versehen ist. Im Betrieb des bekannten Stromrichters wird die mit der Drosselspule versehene Gleichrichterbrücke wiederholt phasengeregelt und während jeder Phasenregelung der mit der Drosselspule ve/sehenen Gleichrichterbrücke werden die restlichen Gleichrichterbrücken nacheinander eingeschaltet.
Durch die Drosselspule wird zwar die während der Phasenregelung der zugehörigen Gleichrichterbrücke hervorgerufene Erhöhung der harmonischen Ströme unterdrückt. Die Drosselspule hat jedoch keinerlei Auswirkung, wenn die Phasenregelung beendet wird.
Zwar bietet bei einem Transformator mit vielen Sekundärwicklungen und entsprechend vielen Gleichrichierbrücken die Erhöhung der harmonischen Ströme, die eine Begleiterscheinung der Phasenregelung ist, keine ernste Schwierigkeit Um so mehr ist dies der Fall hinsichtlich der harmonischen Ströme, die beim Anstieg des Eingangs-Wechselstroms der Gleichrichterbrücken entstehen, wenn die Phasenwinkel der Gleichrichterbrücken gleich 0° sind. Wenn nämlich bei Anordnungen, bei denen einem Wechselspannungsanschluß der Gleichrichterbrücken eine Drosselspule vorgeschaltet ist, die Phasenregelung jeder Gleichrichterbrücke
to beendet wird (im allgemeinen sind zu dieser Zeit die Phasenwinkel sämtlicher Gleichrichterbrücken gleich 0°), so entstehen beim Anstieg des Eingangs-Wechselstroms harmonische Ströme. Auch wenn sämtliche Gleichrichterbrücken bei einem Phasenwinkel von 0° eingeschaltet werden, so entstehen beim Anstieg des Eingangs-Wechselstroms harmonische Ströme, wenn die Überlappungswinkel nicht unterschiedlich voneinander gehalten werden. Diese harmonischen Ströme bieten eine ernste Schwierigkeit
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Einphasen-Stromrichter zu schaffen, bei dem die bei der Kommutierung der Gleichrichterbrücken erzeugten höherharmonischen Wechselströme wesentlich vermindert sind.
Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Einphasen-Stromrichter erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Einphasen-Stromrichters sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
F i g. J das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Einphasen-Stromrichters,
Fig.2, 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des in F i g. 1 dargestellten Stromrichters, Fig.5 und 6 Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Einphasen-Stromrichters,
F i g. 7 im Diagramm die graphische Darstellung von Meßkurven, die bei dem anhand Fig.5 und 6 erläuterten Ausführungsbeispiel erhalten wurden,
Fig.8 das Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines Einphasen-Stromrichters und
Fig.9 das Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels eines Stromrichters.
Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform ist an
so das Netz 1 über eine Drossel Xp die Primärwicklung eines Transformators 2 angeschlossen. Der Transformator enthält vier Sekundärwicklungen, die je über eine Drossel Xs\, Xs2, Xs3 und Xs4 an die Wechselspannungsklemmen einer Gleichrichterbrücke 3a, 3b, 3c bzw. 3d angeschlossen sind. Die Gleichrichterbrücken sind je aus zwei Dioden 3a 1,3a 3,361,36 3,3c I,3c3,3d 1,343 und je zwei Thyristoren 3a 2, 3a 4, 362, 364, 3c 2, 3c 4, 3d2, 3d4 aufgebaut. Die Gleichspannungsklemmen der vier Gleichrichterbrücken 3a bis 3d sind miteinander in Reihe geschaltet und über eine Glättungsdrossel 4 mit einer Last 5 verbunden.
Bei dieser Ausführungsform weisen die Drosseln Xs 1 bis As 4, die auf der Wechselstromseite der jeweiligen Gleichrichterbrücke 3a—3d angeordnet sind, unterschiedliche Werte auf. Wenn die vier Gleichrichterbrükken zur selben Zeit gezündet werden, ist die Stromänderung im Wechselstromkreis verhältnismäßig langsam und der Zeitraum, in dem die Kommutierung
abgeschlossen wird, verhältnismäßig lang, da die Reaktanz der Wechselstromschaltung groß ist
In Fig.2 ist eine Gruppe von Wechselströmen dargestellt wenn die Steuerwinkel der vier Gleichrichterbrücken Null sind, und zwar uy.ter der Voraussetzung, daß Xs\>XS2>Ai3>Xs* ist Wie aus Fig.2 zu entnehmen ist beginnen die jeweiligen Gleichrichterbrücken beim Phasenwinkel Null mit der Komntutierung. Die Zeiträume, die erforderlich sind, bis die Kommutierung abgeschlossen ist unterscheiden sich jedoch bei den jeweiligen Gleichrichterbrücken 3a bis 3d, was in F i g. 2 durch die Bezugszeichen U. bis Ud hervorgehoben wird. Dadurch unterscheiden sich die Wechselstromkomponenten ia bis id, aus denen der Wechselstrom / zusammengesetzt ist voneinander und auf diese Weise werden vier kleine, stumpfe Winkel an den Stellen a, b, cund dund an den Stellen e, f, g und h des Wechselstromes erzeugt der siel, aus diesen Wechselstromkomponenten zusammensetzt. Demzufolge werden die höherharmonischen Komponenten des Wechselstromes /merklich verringert
Der äquivalente Interferenzstrom wurde in einer tatsächlich ausgeführten Schaltung gemessen, um die Wirkungen der erfindungsgemäßen Ausführungsform feststellen zu können. Die Messungen wurden unter den folgenden Voraussetzungen durchgeführt: Die Versorgungsspannung betrug 200 V, das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung des Transformators 2 :1; die mittlere Induktanz der Sättigungsspulen betrug 148 mH, die Last war ein Gleichstrommotor jo bei einem mittleren Laststrom von 10 A. Für einen Wert von 0,299 Ω für die Reaktanz auf der Primärseite des Transformators ist bei einer herkömmlichen Schaltung Xs 1 = Xs2 = Xs3 = Xs*=3,15 Ω und bei der erfindungsgemäßen Schaltung A1, =5,4 Ω, Αί2=3,8Ω, Α53 = 2,6Ω ν, und Α!4 = 0,85Ω. Die Gesamtreaktanz auf der Sekundärseite des Transformators ist also bei der herkömmlichen Schaltung praktisch gleich groß wie bei der vorliegenden Ausführungsform. Unter diesen Voraussetzungen weist der im Wechselstrom enthaltene äquivalente Interferenzstrom bei Steuerwinkeln für die Gleichrichterbrücken von 0° einen Wert von 0,44 A bei der herkömmlichen Schaltung und einen Wert von 0,33 A bei der hier vorliegenden Ausführungsform auf. Aus dem Vergleich dieser Werte ergibt sich deutlich der Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen.
Wie zuvor beschrieben, wir die Wirkung der vorliegenden Ausführungsform auf Grund der Tatsache erreicht, daß die Kommutierungszeiträume mehrerer Gleichrichterbrücken unterschiedlich sind. Der Kornmutierungszeitraum bzw. die Kommutierungszeit wird auch als Überlappungszeitraum bzw. Überlappungszeit bezeichnet. Der Überlappungszeitraum U ist durch folgende Gleichung gegeben:
55
cos \ — cos (tx + U) = k
Hierbei ist λ der Steuerwinkel, X,c die Reaktanz des Wechselstromkreises, /dtder Laststrom, EJcder Effektiv- bo wert der Wechselspannung und k ein Proportionalitätskoeffizient.
Wie aus dieser Gleichung zu ersehen ist, ändert sich bei konstantem Steuerwinkel der Überlappungswinkel in Abhängigkeit von .
Das bedeutet daß der Überlappungswinkel vom Prozentsatz der Reaktanz abhängt. Der Grundgedanke der vorliegenden Ausfühnmgsfonn besteht also darin, daß die Reaktanzen des Wechselstromkreises für die verschiedenen Stromrichter unterschiedlich sind.
In den F i g. 3 und 4 sind wünschenswerte Verfahren zur aufeinanderfolgenden Phasensteuei ung der jeweiligen Gleichrichterbrücken 3a bis 3d dargestellt In F i g. 3 ist ein Vorgang dargestellt bei dem die Steuerung in der Reihenfolge vom Gleichrichter mit kleiner Wechselstromreaktanz zum Gleichrichter mit großer Wechselstromreaktanz durchgeführt wird, wenn die Steuerwinkel Λ» bis «t/der jeweiligen Gleichrichterstufen 3a bis 3d nacheinander gesteuert bzw. eingestellt werden. Wenn die umzuformende Leistung groß ist und der Wechselstrom / eine große Amplitude aufweist sind bei dieser Art der Steuerung die Rechteck-Stromkomponenten der Gleichrichter, deren Phasen gesteuert werden, verringert so daß die höherharmonischen Ströme der Versorgungsquelle fast vollständig unterdrückt werden.
Bei dem in F i g. 4 dargestellten Verfahren werden die Steuerwinkel λ der Gleichrichterstufen, deren Wechselstromreaktanzen größer sind, fortlaufend gesteuert bzw. verändert wogegen die Steuerwinkel der anderen Gleichrichterstufen lediglich zwischen 180° und 0° umgeschaltet werden. Bei diesem Verfahren wird eine diskontinuierliche Änderung der umgeformten Leistung verhindert, wenn das Leistungs-Umsetzvermögen der jeweiligen Gleichrichterbrücken gleich ist. Da die Gleichrichterbrücken, deren Steuerwinkel den Winkel von 90° überstreichen, eine größere Wechselstromreaktanz aufweisen, lassen sich die höherharmonischen Ströme einer Versorgungsquelle durch Anwendung des in F i g. 3 dargestellten Verfahrens weiter verringern.
Anhand der F i g. 5 und 6 soll eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, bei der die in F i g. 1 dargestellte Schaltung verwendet wird. Das Merkmal dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß der Steuerbereich bei einigen Gleichrichterstufen anders ist als bei den übrigen Gleichrichterstufen.
Zur Erläuterung der Wirkung und der Funktion der vorliegenden Ausführungsform wird die Beziehung zwischen den Steuerwinkeln der Gleichrichterstufen und den Wechselstrom-Schwingungsformen anhand von F i g. 6 beschrieben. In F i g. 6 sind die Spannung e und der Strom ;' der Wechselspannungsquelle 1 dargestellt. Die Zeichen /s, 4, ic und id bedeuten jeweils die Wechselstromkomponenten der Gleichrichterbrükken 3a bis 3d und ergeben zusammen den Wechselstrom i. Der in F i g. 6 mit dem Buchstaben a versehene Schwingungszustand ist der Zustand, bei dem die Steuerwinkel «a, «c und Xd der Gleichrichterbrücke 3a, 3c und 3d gleich Null sind und der Steuerwinkel λ* der Gleichrichterbrücke 3b gesteuert wird. Insbesondere ist bei dem Schwingungszustand a der Steuerwinkel /Xb von gleichem Wert wie der Winkel, bei dem die Kommutierung der Gleichrichterbrücke abgeschlossen ist. Der Schwingungszustand b (vgl. F i g. 6) tritt auf, wenn die Steuerwinkel aller Gleichrichterbrücken Null sind. Bei Vergleich der Schwingungszustände a und b ergibt sich, daß der Versorgungsstrom beim Schwingungszustand a eine mehr rechteckförmige Schwingungsform aufweist als beim Schwingungszustand b. Die Frequenzanalyse dieser Schwingungsform zeigt dann tatsächlich auch, daß die höherharmonischen Komponenten beim Schwingungszustand b größer sind als beim Schwingungszustand a.
Der Grund, weshalb die höherharmonischen Komponenten des Wechselstromes beim Schwingungszustand a kleiner sind als beim Schwingungszustand b, liegt darin, daß der Strom / sich während der Kommutierung der Gleichrichterschaltung in zwei Schritten ändert. Die Wechselstromanschlüsse der Gleichrichterschaltung werden während des Kommutierungszeitraumes durch die Dioden kurzgeschlossen. Im Falle des Zustandes a werden drei Gleichrichterstufen 3a, 3c und 3d zunächst beim Phasenwinkel Null gezündet und sobald die Kommutierung beendet ist, beginnt die verbleibende Gleichrichterstufe 3b beim Phasenwinkel «*, zu kommutieren. Die Änderung des Stromes / verläuft langsamer, wenn eine Gleichrichterstufe 3i> kommutiert, als wenn drei Gleichrichterstufen 3a, 3b und 3d gleichzeitig kommutieren. Aus diesem Grunde ändert sich der Versorgungsstrom während des Kommutierungszeitraumes beim Schwingungszustand a in zwei Schritten, so daß höherharmonische Komponenten im Wechselstrom insgesamt verringert werden.
Fig.5 gibt ein Beispiel für die Steuerwinkel-Kennlinie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wieder. Wie in F i g. 5 dargestellt ist, werden die Steuerwinkel txa, on* occ und Xd der Gleichrichterbrücken 3a bis 3d nacheinander gesteuert bzw. eingestellt Diese Art der Steuerung entspricht der herkömmlichen Steuerungsart. Der Unterschied der hier vorliegenden Ausführungsform gegenüber dem Bekannten liegt darin, daß ein Steuerwinkel «(, nicht unterhalb eines Phasenwinkels «o eingestellt wird, der größer als Null ist. Auf diese Weise werden die Phasenwinkel <xa und &b nacheinander in der Reihenfolge gesteuert und der Versorgungsstrom ändert sich in derselben Weise wie im bekannten Falle, bis der Steuerwinkel at, den Phasenwinkel ao erreicht.
F i g. 7 zeigt Messungen, die einen solchen Unterschied deutlich maclien. In F i g. 7 ist a der Kurvenverlauf im bekannten Falle und b der Kurvenverlauf der vorliegenden Ausführungsform. Zwischen der vorliegenden Ausführungsform und dem Stande der Technik besteht im Bereich links des Punktes P, d. h. in dem Bereich, wo der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung klein ist, kein Unterschied. Im Bereich rechts des Punktes P, d.h. dann, wenn der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung groß ist, ist der äquivalente Interferenzstrom Jp jedoch kleiner als beim Stande der Technik.
Fig.8 zeigt einen Stromrichter mit nur zwei Gleichrichterbrücken 3a und 3b. In der Gleichrichterbrucke 3a sind Sättigungsdrosseln 6a 1, 6a 2, 6a 3 und 6a 4 mit den Thyristoren 3a 2 und 3a 4 und den Dioden 3a 1 und 3a 3 jeweils in Reihe geschaltet und eine Sättigungsdrossel 6a 5 liegt im Wechselstromkreis der Gleichrichterbrücke 3a. Der Eisenkern in den Sättigungsdrosseln 6a 1 bis 6a 4 besitzt eine Magnetisierungskennlinie, die im nicht gesättigten Bereich etwa linear verläuft und kontinuierlich und stetig in den gesättigten Bereich übergeht Es sei nun angenommen, daß beispielsweise der Thyristor 3a 4 bei einer derart aufgebauten Schaltung gezündet wird und vom nichtleitenden in den leitenden Zustand übergeht Zu diesem Zeitpunkt wird die Sättigungsdrossel 6a 5 und 6a 4 erregt und die Stärke der magnetischen Erregung der jeweiligen Drosseln geht von Null zu E über (vgl. F i g. 7). Da die Magnetisierungskennlinie zunächst steil verläuft, ist die Induktanz der Sättigungsdrossel groß und daher steigt der Wechselstrom /langsam an und der Strom durch den Thyristor 3a 4 wird unterdrückt Die magnetische Kraftflußdichte B steigt bis zur Sättigung an. Bei Sättigung nimmt die Induktanz der Sättigungsdrossel ab und daher steigt der Wechselstrom /und der Strom durch den Thyristor 3a 4 schnell an. Wenn die Magnetisierungskennlinie der Sättigungsdrossel einen j langsam ansteigenden Verlauf aufweist, folgt der Stromanstieg ebenfalls einer langsam ansteigenden, stetigen Kurve. Andererseits nimmt der Strom durch die Diode 3a 3 ab, und zwar im Gegensatz zum Anstieg des Stromes durch den Thyristor 3a 4. Daher nimmt die
ίο magnetische Erregung der Sättigungsdrossel 6a 3 auf den Wert Null ab. Da die magnetische Erregung zu Anfang entlang des Sättigungsbereichs des Magnetflusses abnimmt, wird der Strom /nur wenig verringert. Die magnetische Erregung nimmt dann immer schneller ab und die magnetische Kraftflußdichte B erreicht dann den Bereich der Nicht-Sättigung, bei der die Sättigungsdrossel 6a 3 eine große Induktanz aufweist, so daß dadurch der Strom allmählich langsam abnimmt. Bei dem geschilderten Verlauf der Sättigungskennlinie nimmt der Strom durch die Diode 3a 3 ebenfalls stetig und gleichmäßig ab. Auf diese Weise wird der durch die Diode 3a 3 fließende Strom schließlich zum Thyristor 3a 4 überführt. Die Änderung des Wechselstroms / wird auf Grund eines solchen Kommutierungsvorganges
verursacht. In diesem Falle gehen die Änderungen des Stromes durch den Thyristor 3a 4 und die Diode 3a 3 langsam und gleichmäßig vor sich, und der Wechselstrom / ändert sich ebenfalls gleichmäßig. Daher wird eine Stromänderung mit einem Kurvenverlauf bewirkt,
jo wie er zu den Zeitpunkten cund d (vgl. F i g. 2) vorliegt. Andererseits tritt die Kurve am Zeitpunkt /der Fig.2 zum Übergangszeitpunkt von der Sättigung zum Bereich der Nicht-Sättigung der Sättigungsdrossel 6a 4 auf, wenn der Strom durch den Thyristor 3a 4 wieder
α abnimmt Die Kurvenverläufe zu den Zeitpunkten g, h und Λ in F i g. 2 treten bei Phasenwinkeln auf, die sich um 180° von den Zeitpunkten c, t/und /unterscheiden und werden auf Grund der Wirkung der Sättigungsdrosseln 6a 5,6a 1 und 6a 2 hervorgerufen.
Bei der in Fig.8 dargestellten Ausführungsform bewirkt die Sättigungsdrossel, daß sich der Wechselstrom zur Kommutierungszeit langsam ändert, so daß dadurch die höher frequenten Komponenten wesentlich abgeschwächt bzw. reduziert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel geht der Kommutierungsvorgang jedoch langsam vor sich. Die in Fig.9 dargestellte Schaltung (es ist nur eine Gleichrichterbrücke gezeigt) unterscheidet sich von der in Fig.8 dargestellten Schaltung dadurch, daß die Sättigungsdrossel 6a 5 weggelassen und die Sättigungsdrossel 6a 1 und 6a 4, sowie 6a 2 und 6a 3, die jeweils paarweise auf gegenüberliegenden Seiten der Brückenschaltung liegen, jeweils miteinander magnetisch gekoppelt sind. In dieser in Fig.9 dargestellten Schaltung sind die
5S Momentanwerte der Ströme, die durch die Diode 3a 1 und den Thyristor 3a 4 oder den Thyristor 3a 2 und die Diode 3a 3 fließen, einander gleich, wenn die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke ihren maximalen Wert aufweist, d. n. wenn der Steuerwinkel « Null ist Unter dieser Voraussetzung heben sich also die magnetischen Spannungen bzw. die elektromotorischen Kräfte der Sättigungsdrosseln auf Grund der zwei Wicklungen gegenseitig auf, so daß diese Sättigungsdrosseln für den durch sie hindurch fließenden Strom keine Induktanz darstellen. Daher wird die maximale Gleichrichterwirkung der Gleichrichterbrücke im Vergleich zu der herkömmlichen Gleichrichterbrücke überhaupt nicht verringert Natürlich können die
Sättigungsdrosseln 6a 1 und 6a 2 zur Verringerung der höher harmonischen Komponenten auch allein mit den Dioden in Reihe geschaltet werden, oder es kann auch die Sättigungsdrossel 6a 5 allein verwendet werden.'
Die Erfindung ist auch auf die verschiedenen Stromrichterschaltungen anwendbar, bei denen die Kommutierung bei der Stromrichterschaltung, bei der
ein Gleichrichter verwendet wird, durch eine Wechselspannung bewirkt wird, wie dies beispielsweise bei mehrphasigen Gleichrichterschaltungen oder bei Umrichterschaltungen für die direkte Umformung von Wechselstrom bzw. Wechselspannung in Gleichstrom bzw. Gleichspannung der Fall ist.
Hierzu 4 BIaIl Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Einphasen-Stromrichter, bestehend aus mehreren Einphasen-Gleichrichterbrücken, von denen jede mit gesteuerten und nicht gesteuerten Gleichrichtern bestückt ist, sowie jede mit ihrem Wechselspannungseingang je an einer Sekundärwicklung eines Transformators liegt und ihr Gleichstromausgang mit den Gleichstromausgängen weiterer gleichartig geschalteter Gleichrichterbrükken in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Wechselstromreaktanz wenigstens einer von mehreren Gleichrichterbrücken (3a, 36, 3c, 3d) von dem ihrer übrigen Gleichrichterbrücken abweicht
2. Einphasen-Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterbrükke mit dem abweichenden Wert der Wechselstromreaktanz sättigbare Drosseln (6a 1, 6a 2, 6a 3, 6a 4) enthält, die mit den jeweiligen Gleichrichtern (3a 1, 3a 2,3a 3,3a 4) in Reihe geschaltet sind (Fig. 8).
3. Einphasen-Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Drosseln (Xs 1 — As 4) mit unterschiedlichen Werten der Wechselstromreaktanz zwischen die Gleichrichterbrücken (3a. 3b, 3c, 3d) und die zugehörigen Sekundärwicklungen (ia—/abgeschaltet sind (F ig. 1).
4. Einphaseii-Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Gitter-Steuereinrichtungen zur Folgesteuerung des Zündwinkels der Gleichrichterbrücken (3a, 3b, 3c, 3d) enthält und für wenigstens eine Gleichrichterbrücke (3a, 36, 3c, 3d) der Zündwinkel sich von dem der übrigen Gleichrichterbrücken unterscheidet.
5. Einphasen-Stromrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrosseln (6a 1. 6a4 bzw. 6a2, 6a3) jeweils auf diagonal einander gegenüberliegenden Seiten der Gleichrichterbrücke angeordnet und so miteinander magnetisch gekoppelt sind (Fig. 9).
DE2605185A 1975-02-15 1976-02-10 Einphasen-Stromrichter Expired DE2605185C3 (de)

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