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Anordnung zur Stellung der Drehzahl von Asynchronmaschinen
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stellung der Drehzahl von
Asynchronmaschinen mittels Zwischenkreisumrichtern.
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Zwischenkreisumrichter, auch als indirekte Umrichter bezeichnet, werden
bekanntermaßen zur Stellung der Drehzahl von Asynchronmaschinen benutzt, indem sie,
den Betriebsbedingungen der Asynchronmaschine entsprechend, eine Ausgangsspannung
oder einen Auegangsstrom variabel gestaltbarer Grundschwingungsamplitude und Grundschwingungsfrequenz
erzeugen.
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ile Arbeitsweise des Zwischenkreisumrichters basiert auf äeweils einem
von zwei bekannten grundsatzlichen Verfahren, die durch die bestimmende Größe im
Gleichstrom-Zwischenkreis gekennzeichnet sind. entweder arbeitet der Umrichter mit
einem eingeprägten Strom im Zwischenkreis, oder die Gleichspannung im Zwischenkreis
wird konstant gehalten, so daß dem maschinenseitigen Stromrichter eine Spannung
aufgeprägt wird. Bei letztgenannter Variante muß dann in bekannter Art und Weise
(Anschnittssteuerung, Pulssteuerung u.a.) die Amplitude und Frequenz der Grundschwingung
der Ausgangsspannung durch einen selbstgelöschten Stromrichter gestellt werden.
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Der Vorteil einer Anordnung mit konstanter Zwischenkreisspannung ist
darin zu sehen, daß eine konstante oder annähernd konstante Zwischenkreisspannung
technisch und ökonomisch günstig, beispielsweise durch ungesteuerte Gleichrichtung
aus einem vorgegebenen ein- oder mehrphasigen S{echselstromnetz bereitgestellt werden
kann.
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Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß für den selbstgelöschten
maschinenseitigen Stromrichter ein erhohter technischer und ökonomischer Aufwand
erforderlich ist. So werden an die Parameter der Steuereinrichtung sowie an die
dynamischen Eigenschaften der leistungselektronischen Bauelemente dieses Stromrichters
und der passiven Bauelemente seiner Kommutierungseinrichtung sehr hohe Anforderungen
gestellt, wodurch der ökonomisch vertretbare Einsatz der nach diesem Verfatren arbeitenden
Zwischenkreisumrichter bisher auf einige '-onderfälle beschränkt blieb./BBC-Nachr.
Bd. 46 (1964) S. 699 - 721/ Um die Aufwendungen für den maschinenseitigen Stromrichter
zu reduzieren, wendet man für dynamisch weniger anspruchsvolle Antriebe, wie z.
B. Spindelantriebe in der 'l'extilindustrie, ein Verfahren an, bei dem die Zwischenkreisspannung
in Grenzen gestellt wird und der maschinenseitige Stromrichter zur Speisung der
Asynchronmaschine demzufolge nicht die Größe der Amplitude der Grundschwingung der
Ausgangsspannung, sondern nur deren Frequenz zu stellen braucht, so daß der maschinenseitige
Stromrichter durch einfache schaltungstechnische Konfigurationen realisierbar ist.
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/E u. M 84 (1967) H. 3, S. 99 - 112 / In solchem Falle ist die Zwischenkreisspannung
am Eingang des maschinenseitigen Stromrichters im stationären Betrieb zeitlich konstant
bzw. annähernd konstant, gegebenenfalls durch zusätzliche Speicherelemente, wie
z. B. T<Mndensatorbatterie, geglättet. Die Grenze der Funktionsfähigkeit eines
derartigen indirekten Umrichters ist durch die Verkleinerung der Zwischenkreisspannung
gegeben, die bei gleichbleibender Größe der Kommutierungskondensatoren des selbstgelöschten
maschinenseitigen Stromrichters seine Kommutierungsfä.higkeit einschränkt, so daß
in der Praxisanwendung allgemein kein größerer Drehzahlstellbereich der Asynchronmaschine
als 1:2 bis 1:3 ökonomisch realisiert werden kann.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Zwischenkreisspannung
in den vorgegebenen Grenzen stellbar sein muß.
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Arbeitet der indirekte Umrichter mit eingeprägtem Strom im Gleichstrom-Zwischenkreis,
ist der maschinenseitige Stromrichter ebenfalls als selbstgelöschter Wechselrichter
ausgeführt, der die Aufgabe hat, den eingeprägten Strom des Gleichstrom-Zwischenkreises
mit stellbarer Frequenz auf die Stränge der Asynchronmaschine zu schalten. Dieser
Stromwechselrichter läßt sich gegenüber dem Wechselrichter, der die Amplitude der
Ausgangsspannung und deren Frequenz stellen muß, schaltungstechnisch mit einfacheren
Mitteln bezüglich des Kommutierungsaufwandes realisieren /ETZ-A.96 (1975) H. 11,
S. 520 - 523/.
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Auch sind an die Ventile dieser Stromwechselrichter keine bohren dynamischen
Anforderungen zu stellen, so daß keine Verwendung von sogenannten Frequenzthyristoren
und schnellen Dioden erforderlich ist, sondern von sogenannten Netzthyristoren und
langsamen Dioden.
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Demgegenüber hat die einprägung eines Zwischenkreisstromes einige
Nachteile: - Für die Stellung des eingeprägten Stromes ist eine Stromquelle erforderlich,
die steuerbar sein muß.
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- enn diese Stromquelle eine Stromrichterkombination ist, muß der
Zwischenkreisstrom mit erheblichen Glättungsaufwand, beispielsweise mit Induktivitäten
im Zwischenkreis, geglättet werden, damit die Kommutierungssicherheit des selbstgelöschten
Wechselrichters gegeben ist.
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- Durch die Komniutierung des den Wicklungen der Asynchronmaschine
aufgeprägten Zwischenkreisstromes werden die Kommutierungseinrichtungen dieses Stromwechselrichters
und damit auch seine sktiven Bauelemente, wie z. B. Thyristoren und Dioden, spannungsmäßig
stark beansprucht, wenn der Aufwand an Kommutierungskondensatoren und damit an Gewicht,
Masse, Raum und Preis für den Stromwechselrichter in ökonomisch vertretbaren Grenzen
sein soll.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Aufwand für Glättungsmittel,
die bei der Gestaltung eines Gleichspannungs-oder Gleichstromzwischenkreises zur
Spannungsstabilisation
bzw. zur Stromaufprägung erforderlich sind,
klein halten zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, durch eine neue Anordnung im Zwischenkreis
den Drehzahlstellbereich von Asynchronmaschinen, die mit Zwischenumrichtern arbeiten,
erheblich zu erweitern.
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Erfindungsgemäß sind im Gleichstromzwischenkreis laittel zur AuSprägung
einer zeitlich periodisch veränderlichen Zwischenkreisspannung, deren Spitzenwert
quasi konstant und deren Mittelwert stellbar ist, angeordnet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist im Gleichstromzwischenkreis
ein Gleichstrompulssteller vorgesehen. Nach einer weiteren Ausgestaltung der BrSindung
ist im Gleichstromzwischenkreis ein Pulsstromrichter angeordnet und die Induktivitäten
der Stränge des Netzes, die Kommutierungsinduktivitäten sowie die Kreiskapazität
stellen Schwingungselemente dar.
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In Weiterführung des BrBindungsgedankens wurde gefunden, daß die Kommutierungsinduktivitäten
und die Kommutierungskapazitäten des maschinenseitigen Stromrichters Bestandteil
des Schwingkreises sind.
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Vorteilhaft erfolgt dabei die periodische Umschaltung der Steuerventile
des maschinenseitigen Stromrichters synchronisiert mit oder in Abhängigkeit von
dem zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung beziehungsweise von der Spannung
der Kommut ierungskondensat oren des maschinenseitigen Stromrichters bzw. von der
Ansteuerung des netzseitigen Gleichrichters.
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Mit der Erfindung wird erstmals ein Weg gewiesen, der es gestattet,
den Aufwand an Glättungsmitteln bei der Gestaltung eines Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreises
zur Spannungsstabilisation bzw. zur Stromaufprägung erheblich zu Vermindern. Das
wurde dadurch erreicht, daß eine zeitlich periodisch veränderliche Zwischenkreisspannung
dem maschinenseitigen Stromrichter zugeführt wird. Unter dieser Voraussetzung
wird
von einem im wesentlichen konstanten Spitzenwert der Spannung ausgegangen und deren
Mittelwert gestellt.
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Die bewußte Ausnutzung dieser Beziehung war es, die die erhebliche
Reduzierung des Glättungsmittelaufwandes gegenüber der bisherigen Praxis ermöglichte.
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An 5 Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1: ein Prinzipschaltbild, Pig. 2: die
Spannungsverhältnisse im Zwischenkreis, Fig. 3: eine Ausführung mittels Gleichstrompulssteller,
Fig. 4: eine Ausführung mittels Pulsstromrichter, Fig. 5: eine Ausführung unter
Verwendung eines Pulsgleichrichters und Fig. 6: eine Ausführung mittels selbstgelöschten
Stromrichter.
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Figur 1 zeigt einen Zwischenkreisumrichter 1, bestehend aus einem
netzseitigen Stromrichter 2, der bei motorischem Betrieb der Asynchronmaschine aus
einem Drehstromnetz, allgemein aus einem ein- oder mehrsträngigem Wechselstromnetz
5 gespeist wird, einem Zwischenkreis 3 ohne Glättungseinrichtungen sowie einem maschinenseitigen
Stromrichter 4, der ein für den motorischen und generatorischen Betrieb einer Åsynchronmaschine
6, notwendiges Drehstromsystem erzeugt. Der netzseitige Stromrichter 2 sei in der
Lage, eine Spannung an den Klemmen A-B des Zwischenkreises 3 zu erzeugen, deren
zeitlicher Verlauf uA B(t) dargestellt in Figur 2, folgende Merkmale besitzt: -
Die Funktion u,,B(t) ist periodisch, - der Spitzenwert U ist im wesentlichen konstant,
- der Mittelwert Um ist stellbar.
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In den Figuren 3, 4 und 5 sind drei verschiedene Schaltungsanordnungen
als Beispiele für den netzseitigen Stromrichter 2 dargestellt.
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Figur 3a zeigt eine bekannte Anordnung für motorischen Betrieb der
Asynchronmaschine, bestehend aus einen ungesteuerten Diodengleichrichter 7 und einem
Gleichstrompulssteller 8, symbolisch als Schalter dargestellt. nie Form der Spannung
an den Klemmen A-3 des maschinenseitigen Stromrichters 4 entspricht dem in Fig.
2a, b dargestellten Verlauf, wobei die Frequenz und das Tastverhältnis und dadurch
die Größe des auf den Maximalwert U bezogenen Sittelwertes Um der Spannung uA B(t)
allein durch den Gleichst-rompulssteller 8 bestimmt wird, der Maximalwert U von
der Spannung des Netzes 5 sowie von der Schaltungskonfiguration des Diodengleichrichters
7 und damit unabhängig vom Betrieb der Anordnung.
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Figur 3b zeigt eine Anordnung für generatorischen Betrieb der Asynchronmaschine,
bestehend aus einem voll ausgesteuerten netzgelöschten lslJechselrichter 19 und
einem Gleichstrompulssteller 8, symbolisch als Schalter dargestellt. Die Form der
Spannung an den Klemme A-3 des maschinenseitigen Stromrichters entspricht dem in
Figur 2a, b dargestellten Verlauf, wobei die Frequenz und das Tastverhältnis und
dadurch die Größe des auf den Maximalwert U bezogenen Mittelwertes Um der Spannung
UA,B(t) bei konstanten Betriebsparametern der Asynchronmaschine und des maschinenseitigen
Stromrichters allein durch den Gleichstrompulssteller b bestimmt wird, der 1aximalwert
U von der Spannung des Netzes 5 sowie von der Schaltungskonfiguration und vom Steuerwinkel
des netzgelöschten Wechselrichters 19 und damit unabhängig vom Betrieb der Anordnung.
Bekanntermaßen ist es auch denkbar, statt des netzgelöschtem Wechselrichters zur
Bremsenergieumsetzung der Asynchronmaschine einen ohmschen widerstand oder eine
R-C-Kombination oder ein vorhandenes Gleichstromnetz zu benutzen.
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In solchem Falle wird der Maximalwert U der Spannung uA (t) im wesentlichen
durch diese Elemente bestimmt.
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Bekanntermaßen ist es auch denkbar, zur Bremsenergieumsetzung einen
oder mehrere durch Gleichstrompulssteller gesteuerte Widerstände zu benutzen.
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Figur 4 zeigt eine bekannte Anordnung eines Pulsstromrichters, bestehend
aus Diodengleichrichter 7 und zu diesem antiparallel
geschalteten
Stromrichter 1X, dessen Ventile ein- und ausschaltbar sind. Die Induktivitäten 9
der Stränge des Netzes 5 bilden mit einer Kapazität 10 an den Klemmen h-B des Zwischenkreises
einen Resonanzkreis zur impulsförmigen Energieübertragung vom Netz 5 auS den Zwischenkreis
3 bzw. zur Formung des zeitlichen Verlaufs der Spannung uA (t) entsprechend Figur
2c, d, e. Die Kapazität des Kondensators 10 ist gegenüber der eines bekannten Zwischenkreispufferkondensators
wegen des grundsätzlich unterschiedlichen Verwendungszweckes beider Kapazitäten
wesentlich geringer.
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ie Frequenz der Spannung uA (t) wird durch die Tastfrequenz des Stromrichters
11, der Maximalwert U gleichzeitig durch folgende Parameter bestimmt: Spannung des
Netzes 5, Daten der Resonanzkreiselemente 9 und 10. Konfiguration des Diodengleichrichters
7, Taktfrequenz und relative Einschaltdauer des Stromrichters 11 sowie Belastung
des Zvvischenkreises durch den maschinenseitigen Stromrichter 4 entsprechend der
Belastung der Asynchronmaschine 6.
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Bei vorgegebenen Schaltungsparametern der Anordnung ist der Laximalwert
U somit entweder gleich oder größer als die gleichgerichtete Spannung des Netzes
5, beeinflußt durch die relative Sinschaltdauer des Stromrichters 11 in Abhängigkeit
von der Belastung.
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Figur 5 zeigt eine Anordnung eines Pulsgleichrichters, bestehend aus
einem ungesteuerten Diodengleichrichter 7, einem durch Steuerimpuls einschaltbaren
Ventil 12 sowie einer Induktivität 13 und einer Kapazität 10 als Speicherelemente.
Kiese Speicherelemente 13 und 10 und ggf. auch die Induktivitten 9 der Stränge des
Netzes 5 bilden mit den Ventilelementen 7 und 12 und dem Netz 5 einen Reihenresonanzkreis,
der periodisch erregt wird, wodurch Energie vom Netz 5 an die Klemmen A-B des Zwischenkreises
transportiert wird. Die Stellung dieser Energie wird bei vorgegebenen Parametern
des Netzes 5 sowie der Schwingkreiselemente durch die R'inschaltfrequenz des Ventils
12 bewirkt. Die Schwingkreiselemente 12, 13 und 10 sind deshalb auch als Gleichstrompulssteller
ti mit Pulsfrequenzsteuerung entsprechend Figur 3a bei motorischem Betrieb der
Asynchronmaschine
auffaßbar, die elemente 20, 21, 13 und 10 als Gleichstrompulssteller b mit Pulsfrequenzsteuerung
entsprechend Figur 3b bei generatorischem Betrieb der Asynchronmaschine.
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Wie in den vorgenannten Beispielen hat bei motorischem Betrieb der
Asynchronmaschine die Spannung uA B(t) in Abhängigkeit von der Belastung einen Verlauf,
wie in Pigur 2c, d, e angegeben, wobei der Mittelwert Um durch die Pulsfrequenz
des Gleichstrompulsstellers 8 stellbar ist und der Spitzenwert U wegen des Resonanzkreises
Aber dem gleichgerichteten Wert der Spannung des lietzes 5 liegt, wodurch eine sichere
Löschung des Ventils 12 nach jedem Arbeitstakt bewirkt wird.
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Bei Energienicklieferung in den Zwischenkreis 3 durch generatorischen
Betrieb der Asynotironmaschine sperrt das Ventil 12 und es schaltet das steuerbare
Ventil 20 periodisch den Widerstand 21 ein, so daß auch in diesem Falle die Spannung
UA B(t) einen Verlauf hat, wie in Figur 2c, d, e angegeben.
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Dabei ist der Mittelwert Um durch die Pulsfrequenz des Gleichstrompulsstellers
d stellbar und der Spitzenwert U außer von den Parametern der Resonanzkreiselemente
13 und 10 von den System- und Betriebsparametern der Asynchronmaschine und des maschinenseitigen
Stromrichters abhängig.
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In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel für den maschinenseitigen Stromrichter
4 entsprechend Figur 1 dargestellt. Es zeigt einen bekannten selbstgelöschten Stromrichter
mit Phasenfolgelöschung, bestehend aus steuerbaren Ventilen 16, Kommutierungskondensatoren
17, Blindstrom- oder Tiireilauidioden 14, Kommutierungsinduktivitäten 15 sowie Lioden
18 zur Verhinderung der Entladung der Kommutierungskondensatoren 17 über die Wicklungen
der Asynchronmaschine 6.
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Es ist denkbar, auf die Dioden 18 zu verzichten, wenn durch steuerungstechnische
IiaBnahmen das Umschalten der Ventile 16 gerade zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem
die Spannung der Kommutierungskondensatoren, die in diesem Falle annähernd dem Verlauf
der Spannung uA~B(t) folgen wurde, ein Maximum erreicht hätte. Unter dieser Bedingung
sind die Resonanzkreiselemente
der Beispiele, die in Figur 4 und
5 angeführt sind, um die Kommutierungsinduktivitäten 15 und die Kommutierungskapazitäten
17 als nachgeschalteter Resonanzkreis 2. Ordnung zu erweitern, oder es ist denkbar,
als Resonanzkreiselemente ausschließlich die Kommutierungsinduktivitäten 15 sowie
die Kommutierungskapazitäten 17 zu verwenden.
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Die Blindstrom- oder Freilaufdioden 14 bewirken, daß der Maschinenstrom
im Falle uA B(t) - 0 über die gerade eingeschalteten steuerbaren Ventile 16 weiterfließt,
so daß ihr Strom allgemein nicht lückt, im Falle das Rückens jedoch so klein ist,
daß die di/dt-Belastung der Ventile 16 beim VJiedereinschalten gering bleibt.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß - als netzseitige Stromrichter
zur Speisung des Zwischenkreises aus einem ein- oder mehrsträngigem Wechselspannungsnetz
solche Stromrichter verwendet werden können, die einerseits keine Steuerblindleistung
aus dem Netz beziehen und darüber hinaus dieses Netz mit solchen Stromoberschwingungen
belasten, die auf Grund ihrer relativ hohen Frequenz einfacher zu kompensieren sind
als solche, die durch Anschnittssteuerung entstehen, andererseits diskontinuierlich
oder impulsförmige Energieübertragung in den oder aus dem Zwischenkreis bewirken;
- als maschinenseitige Stromrichter solche Schaltungskonfigurast ionen benutzt werden
können, die keine dynamisch hochwertigen Ventile und darüber hinaus einfache Nommutierungseinrichtungen
und einfache Ansteuerelektronik erfordern; - als Zwischenkreiselemente keine Mittel
zur Energiezwischenspeicherung, wie sie im Vergleich zu den anderen Verfahren zur
Spannungs- oder Stromglättung erforderlich sinds auf zu wenden sind.
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Darüber hinaus ergibt sich bei Verwendung der Kommutierungsinduktivitäten
15 sowie der Kommutierungskapazitäten 17 als Resonanzkreiselemente beim Umschalten
der Stromrichterventile 16 synchronisiert mit oder in Abhängigkeit von dem zeitlichen
Verlauf
der Zwischenkreisspannung bzw. der Spannung der Kommutierungskondensvtoren bzw.
der £risteuerung des netzseitigen Stromrichters sowohl im Liotor- als auch im Generatorbetrieb
der Asynchronmaschine der Vorteil, daß auf die bekanntermaßen bei phasenfolgegelöschten
Stromrichtern in Reihe mit den steuerbaren Ventilen 16 liegenden ungesteuerten Dioden
18 verzichtet werden kann, wodurch der leistungselektronische Aufwand für den maschinenseitigen
Stromrichter noch weiter reduziert werden kann.
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