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Adaptiver Stromregler
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Die Erfindung bezieht sich auf einen adaptiven Stromregler gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein solcher adaptiver Stromregler ist aus der DE-PS 24 05 750 bekannt.
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Eine Anwendung erfolgt insbesondere bei Stromrichtern, die induktive
Lasten, wie Motoren, aus einem Wechsel-oder Drehstromnetz mit Gleichstrom versorgen.
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Das PI-Regelverhalten von Stromreglern für netzgeführte, mit induktiver
Last beschaltete Stromrichter wird allgemein ffir den nicht lilekenden Strombereich
optimiert, weil hier die Verstärkung der Regelstrecke sehr groß ist. Eine geringfügige
Verstellung des ZUndwinkels bewirkt mit etwas Zeitverzögerung eine große StromSnderung.
Im Lückbereich dagegen muß für eine gleiche Stromänderung eine viel größere Zndwinkelverstellung
aufgebracht werden. Hierbei ist zu beachten, daß die Regelstrecke im Lückbereich
keine Zeitverzögerung mehr
verursacht.
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Zur Anpassung der Stromregelung wird gemäß DE-PS 24 05 750 vorgeschlagen,
einen Stromregler mit hoher I-Verstärkung im Lückbereich und normaler I-Verstärkung
bei nicht lückendem Strom einzusetzen. Eine Vereinfachung der Adaption ergibt sich
dadurch, daß die P-Verstärkung unbeeinflußt bleibt.
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In der Veröffentlichung von Arne Buxbaum, Aufbau und Funktionsweise
des adaptiven Ankerstromreglers", Technische Mitteilungen AEG-Telefunken 61 (1971)
7, S. 371 bis 374 wird ein Stromregler mit Strukturumschaltung vorgeschlagen, der
eine hohe 1-Verstärkung im Llickbereich und eine normale Pl-Verstärkung bei nicht
lfickendem Strom aufweist.
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Zur Anpassung der Stromregelung wird gemäß DE-AS 23 38 63n vorgeschlagen,
dem normalen Stromregler variable Anpassglieder nachzuschalten, die die Anderungen
der Regelstreckenverstärkung im Lückbereich selbsttätig ausgleichen. Dafür ist eine
aufwendige Steuerschaltung erforderlich, die die Anpassglieder in Abhängigkeit zu
den Stromlücken beeinflußt.
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Diese bekannten adaptiven Stromregler sind zum Teil sehr aufwendig
oder sie sind schwierig in Betrieb zu nehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten
adaptiven Stromregler der eingangs genannten Art anzugeben, der ein gutes dynamisches
Lf5ckstromverhalten von Stromregelkreisen mit Stromrichtern, die induktive Lasten
versorgen, gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 geken.nzeichneten Merkmale
gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin,
daß der adantive Stromregler einfach aufgebaut und sehr einfach in Betrieb zu nehmen
(einzustellen") ist. Er ist für an Stromrichter angeschlossene induktive Lasten
mit oder ohne Gegenspannung einsetzbar.
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Mit Hilfe des den Funktionsgeber enthaltenden Bypasses wirkt der Stromsollwert
bei liAckendem Laststrom am Regelverstärker des Stromreglers vorbei direkt auf den
Zündverzögerungswinkel der Zündimpulse für den Strom richter ein.
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Ein weiterer Vorteil ist, daß der Stromsollwert über den Bypass durch
eine geeignete Wahl der einfach zu gestaltenden Übertragungskennlinie des Funktionsgebers
innerhalb des Lückbereichs den Strom ohne Mitwirkung des Regelverstärkers des Stromreglers
näherungsweise proportional zu sich selbst steuert, so daß der Regelverstärker des
Stromreglers im Lückbereich nur die kleinen Steuer- oder Proportionalitätsfehler
ausregeln muß, was sehr schnell möglich ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen
erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen adaptiven Stromregler flir einen Stromregelkreis
eines Stromrichters, Fig. 2 die Abhängigkeit der Lastspannung vom Zündwinkel, Fig.
3 eine prinzipielle Eingliederung des adaptiven Stromreglers für einen Stromrichter
mit einer Stromrichtung,
Fig. 4 eine prinzipielle Eingliederung
des adaptiven Stromreglers für einen Umkehr- bzw.
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Doppelstromrichter.
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In Fig. 1 ist ein adaptiver Stromregler für einen Stromregelkreis
eines Stromrichters dargestellt. Ein PI-Stromregler 1 wird eingangsseitig mit einem
positiven Stromistwert Iist und einem negativen Stromsollwert -Isoll beaufschlagt.
Die Reglerausgangsspannung y wird einer Additionstelle 2 zugeleitet. Die der Additionsstelle
2 ausgangsseitig entnehmbare Steuerspannung S wird einem Steuersatz 3 zur Erzeugung
von Zündimpulsen zugeführt. Der Steuersatz 3 gibt ausgangsseitig über sechs Kanäle
Zündimpulse Z an einen nicht dargestellten Stromrichter ab. Die dem Steuersatz 9
vorgegebene Kennlinie des Zündwinkels oC = f (s) ist eingezeichnet. Die Zündimpulse
Z des Steuersatzes 3 stehen in der Zündwinkellage ot = 900, wenn die Steuerspannung
S null ist. Es sind jedoch auch andere Kennlinien o'-f(S) anwendbar.
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Der negative Stromsollwert -Isoll liegt desweiteren einem Anpassverstärker/Tiefpass
4 eingangsseitig an.
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Der Anpassverstärker/Tiefpass II gibt ausgangsseitig einen angepassten,
gefilterten Stromsollwert Isoll+ an einen Funktionsgeber 5 zur Stromsteuerung im
Lückbereich des Stromes ab. Die aus Anpassverstärker/Tiefpass 4 und Funktionsgeber
5 bestehende Serienschaltung wird nachfolgend auch als Bvpass 4/5 und die aus Stromregler
1, Anpassverstärker/Tiefpass 4, Funktionsgeber 6, Additionsstelle 2 bestehende Anordnung
als adaptiver Stromregler 1/2/4/5 bezeichnet.
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Die Ausgangsspannung Ua des Funktionsgebers 5 wird der Additionsstelle
2 zugeführt. Der Funktionsgeber 5 gibt eine Ausgangsspannung Ua mit dem Wert null
ab, falles der
gefilterte Stromsollwert Isoll+ die Lückgrenze LG
des Stromes überschreitet. Die Ausgangsspannung Ua ist negativ für Stromsollwerte
1soll+ die kleiner als die Lückgrenze LG sind und zwar um so negativer Je kleiner
der Stromsollwert Isoll+ ist. Diese angegebene Kennlinie Ua = f (ISO11+) ist gültig
für die beschriebene Kennlinie sC = f (S) des Steuersatzes 3. Bei einem anderen
Steuersatzverhalten ist auch die Kennlinie des Funktionsgebers 5 entsprechend anzupassen.
Dabei ist wesentlich, daß die Kennlinie Ua = f (Soll+) des Funktionsgebers 5 so
gewählt wird, daß ohne Mitwirkung des Stromreglers 1 die Zündimpulse Z bei einem
Stromsollwert Null so stehen, daß gerade kein Strom fließt und daß bei einer Erhöhung
des Stromsollwertes der Strom möglichst proportional steigt, bis die Lückgrenze
LG erreicht ist. Darüberhinaus darf der Bypass 4/9 keinen Einfluß auf die Zündwinkel
d haben, die Ausgangsspannung Ua muß also in dem Bereich Isoll+ Null sein, und lediglich
der Stromregler 1 auf die Steuerspannung S einwirken.
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Zur Realisierung einer EMK-Steuerung kann der Additionsstelle 2 eine
zusätzliche Spannung UEMK zugeleitet werden. Eine derartige EMK-Steuerung kann beispielsweise
bei Einsatz eines Gleichstrommotors als induktiver Last des Stromrichters vorgesehen
sein. Die von der Gleichstrommaschine während des Betriebes induzierte elektromotorische
Kraft EMK stellt eine Gegenspannung für den Stromrichter dar. Soll der Stromrichter
einen vorgegebenen Strom gegen die EMK in den Motor einspeisen, so muß die Stromrichterausgangsspannung
um den Wert der EMK erhöht werden, d.h. die Steuerspannung S zur Einstellung der
Zündimpulse muß entsprechend verschoben werden. Ohne EMK-Steuerung muß der Stromregler
diesen Einfluß der EMK ausregeln. Mit Hilfe der EMK-Steuerung erzeugt die EMK selbst
über ein
Meßglied die zur Verschiebung der Zündimpulse notwendige
zusätzliche, der EMK proportionale Spannung UEMK Der Stromregler muß dann nur noch
den dem Spannungsabfall am Ankerwiderstand des Motors entsprechenden Anteil ausregeln.
Die EMK-Steuerung stellt somit eine Mitkopplung dar. Die Verstärkung ist dabei so
einzustellen, daR sich mittels der gemessenen EMK ohne Mitwirkung des Stromreglers
die Zündimpulse stets so ergeben, daß die Stromrichterausgangsspannung gerade der
EMK entspricht (Verstärkung + 1).
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Der Stromregler 1 ist beispielsweise wie folgt aufgebaut: Der Stromistwert-Eingang
ist mit der Serienschaltung zweier Widerstände R1, R2 und eines Kondensators cl
verbunden, während am Stromsollwert-Eingang ein Widerstand R3 liegt. Der Widerstand
R3 ist an den "-"-Eingang eines Operationsverstärkers 01 (Regelverstärker) und an
den gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände R1, R2 angeschlossen. Der "+"-Eingang
des Operationsverstärkers Ol liegt auf Massepotential. Dem Kondensator C1 ist eine
Diode D1 parallel geschaltet. Der Ausgang des Operationsverstärkers bildet gleichzeitig
den Ausgang des Stromreglers 1 und ist mit dem Kondensator C1 und der Kathode der
Diode D1 verbunden.
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Der AnpassverstErker/Tiefpass 4 ist beispielsweise wie folgt aufgebaut:
Der Stromsollwert-Eingang ist mit einem Potentiometer R4 verbunden, dessen weiterer
Hauptanschluß auf Massepotential liegt und dessen Abgriff über zwei in Serie liegende
Widerstände RS,Ry mit dem Ausgang des Anpassverstarkers/Tiefpasses 4 verbunden ist.
Dem Widerstand R6 liegt ein Kondensator C2 parallel. Der gemeinsame Verbindungspunkt
der Widerstände Rs,R6 ist an den "-"-Eingang eines Operationsverstärkers 02 angeschlossen.
Der "+"-Eingang des Operationsverstärkers 02 liegt auf Massepotential und der Ausgang
des Operations-
verstärkers 02 ist ebenfalls mit dem Ausgang des
Anpassverstärkers/Tiefpasses 4 verbunden.
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In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Lastspannung UDC, d.h. der Spannung
an der an den Stromrichter angeschlossenen Last, vom Zündwinkel ot dargestellt.
Die Kennlinie a ist gültig für eine induktive Last mit nicht lückendem Strom und
die Kennlinie b für eine ohmsche Last. Die Lückgrenze ist mit LG bezeichnet und
liegt bei ot = 900.
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Der beschriebene adaptive Stromregler 1/2/4/5 zeichnet sich durch
mäßigen Aufwand und einfache Inbetriebnahme aus. Wesentlich dabei ist der Bypass
4/5, über den der Stromsollwert am Stromregler 1 vorbei bei lückendem Strom direkt
auf die Steuerspannung S und damit auf den Ziindwinkel oL eingreifen kann. Bei induktiver
Last (Kennlinie a in Fig. 2) und dem Steuerwinkel 06 = 900 ist zwar die Lastspannung
Null, aber es fließt gerade ein Strom an der Lückgrenze LG. Dieser Strom kann recht
kräftig sein. Soll er bis auf Null verringert werden, so muß der Zündwinkel z um
den zusätzlichen Zündwinkel E = = 300 von 900 auf 1200 vergrößert werden, wie Fig.
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2 zeigt. Diese Aufgabe der Beeinflußung der Steuerspannung S und damit
des ZUndwinkels ot bei lückendem Laststrom übernimmt der Bypass 4/5, so daß der
Stromregler 1 nur noch kleine Steuer- oder Proportionalitatsfehler ausregeln muR.
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Die Bypasssteuerung kann beliebig schnell wirken, aber mit Rücksicht
auf eine übergeordnete Drehzahl- oder Spannungsregelung (z.B. wenn ein Motor als
Last eingesetzt ist) soll die Stromverstellung im Lückbereich nicht schneller als
bei nicht lilekendem Strom möglich sein. Deshalb ist ein Tiefpass ersten Grades
erforderlich. Hierzu wird dem Widerstand R6 im Rückführzweig des Operationsverstärkers
02 (Anpassverstärker) ein geeigneter
Kondensator C2 parallel geschaltet,
wie das Ausflihrungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt. Die Anpassverstärkung ist mit einem
Stellwiderstand oder dem Potentiometer R4 so einzustellen, daß bei einem Stromsollwert,
der der Lückgrenze LG entspricht, die Ausgangsspannung Ua des Funktionsgebers 5
gerade Null wird.
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Da die Bypasssteuerung mit einem Stromsollwert Null die Zündimpulse
ausreichend weit in die Wechselrichterlage schiebt, um den Strom gerade verschwinden
zu lassen, ist eine zusätzliche Beeinflußung durch den Stromregler 1 nicht notwendig.
Der Stromregler 1 wird deshalb von der Diode D1 parallel zum Kondensator C1 im.Rtlekführzweig
des Operationsverstärkers Ol daran gehindert, seinerseits noch einen überflüssigen
Beitrag in dieser Richtung zu liefern. Ein solcher Beitrag kann beispielsweise bei
einem Stromsollwert und einem Stromistwert von Null durch eine "Offsetspannungt
des Operationsverstärkers Ol entstehen, die zu einer allmählichen Aufladung des
Kondensators C1 in der unerwilnschten Richtung führt. Die Diode D1 verhindert dies
in einfacher Weise. Daraus ergibt sich folgender Vorteil: Auch nach einer beliebig
langen Zeit mit einem Stromsollwert Null kann selbst bei Vorgabe nur kleiner Stromsollwerte
sofort wieder Strom fließen, weil der Kondensator C1 nicht erst lange von einer
Fehlladung befreit werden muß.
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Dieser Vorteil geht bei Einsatz von Antrieben mit gutem Leerlaufverhalten
als Last verloren, wenn infolge Drehung des Motors eine Gegen-EMK im Motoranker
auftebaut wird und somit die Spannung am Kondensator C1 entsprechend der EMK steigen
muß, so daß die Diode D1 auRer Eingriff gerät. Im Falle eines Stromsollwertes Null
kann der Kondensator C1 dann zu weit in Richtung Wechselrichterverschiebung der
Zündimpulse Z geladen werden. Mit Hilfe der beschriebenen EMK-Steuerung wird
erreicht,
daß die Kondensatorspannung unabhängig von der Gegen-EMK bleibt und somit die geschilderten
Vorteile nicht verlorengehen.
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In Fig. 3 ist eine prinzipielle Eingliederung des adaptiven Stromreglers
für einen Stromrichter mit einer Stromrichtung gezeigt. An der Vergleichstelle 6
werden hierbei der Stromistwert Iist mit positivem Vorzeichen und über eine Verzweigungsstelle
7 der Stromsollwert I,,11 mit negativem Vorzeichen zugeführt. Die Regelabweichung
x = Iist - Isoll wird dem Stromregler 1 zugeleitet, dessen Regelerausgangsspannung
y an die Additionsstelle 2 weitergegeben wird. Der Stromsollwert ISO11 gelangt desweiteren
an den AnpassverstErker/Tiefpass 4, der ausgangsseitig den gefilterten Stromsollwert
Isoll+ an den Funktionsgeber 5 abgibt. Das Ausgangssignal des Funktionsgebers 5
wird der Additionsstelle 2 zugeleitet. Die an der Additionsstelle 2 abgreifbare
Steuerspannung S wird dem Steuersatz 3 zugeführt, der ausgangsseitig die Zündimpulse
Z zur Steuerung eines Stromrichters SR abgibt. Der Stromrichter SR wird wechselspannungseitig
mit einer Drehsoannung UN beaufschlagt und ist gleichspannungsseitig mit einem Motor
M verbunden. Die Lastspannung am Motor ist mit UDC bezeichnet.
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In Fig. 4 ist eine prinzipielle Eingliederung des adaptiven Stromreglers
für einen Umkehr- bzw. Doppelstromrichter dargestellt. Der Stromistwert Iist gelangt
hierbei über eine Verzweigungsstelle 8 zur Vergleichsstelle 6. Der Vergleichstelle
6 werden wiederum Stromist- und Stromsollwert zugeführt. Der Stromregler 1 gibt
entsprechend einer eingangsseitig anliegenden Regelabweichung x eine Reglerausgangsspannung
y an einen ersten steuerbaren Polaritätswender 9 (Umpoler) ab. Der Polaritätswender
9 überträgt das Signal y je nach vorliegendem
Stromrichtungssignal
R mit einem Faktor +1 bzw. -1 und gibt ausgangsseitig eine gerichtete Reglerausgangsspannung
y+ an die Additionsstelle 2 ab, wobei die Spannung y+ beispielsweise positiv für
Gleichrichterbetrieb und negativ für Wechselrichterbetrieb ist.
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Der Anpassverstärker/Tiefpass 4 gibt den gefilterten Stromsollwert
Isoll+ über eine Verzweigungsstelle 10 an einen zweiten steuerbaren Polaritätswender
(Umpoler) 11 und an einen Stromrichtungsmelder 12 ab. Die Funktionsweise des zweiten
Polaritätswenders 11 entspricht der des ersten Polaritätswender 9. Das Ausgangssignal
des Polaritätswenders 11 gelangt zum Funktionsgeber 5, der wiederum die Additionsstelle
2 ausgangsseitig beaufschlagt.
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Dem Steuersatz 3 wird das Summensignal der Ausgangsignale des Polaritätswenders
9 und des Funktionsgebers 5 als Steuerspannung S zugeleitet. Die vom Steuersatz
3 ausgangsseitig abgegebenen Zündimpulse Z gelangen zu zwei steuerbaren Impulsfreigabeschalter
13 und 14. Je nach vorliegendem Stromrichtungssignal R ist einer der beiden Impulsfreigabeschalter
durchgeschaltet, der andere gesperrt. Der Impulsfreigabeschalter 13 besitzt dabei
einen invertierenden Steuereingang. Bei Durchschaltung des Impulsfreigabeschalters
13 gibt dieser Zündimpulse ZA für eine Stromrichtung A ab, bei Durchschaltung des
Impulsfreigabeschalters 13 entsprechende Zündimpulse ZB für eine Stromrichtung B.
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Die Stromrichtungssignale R werden von einem Richtungsspeicher 15
abgegeben und gelangen außer zu den Steuereingängen der Impulsfreigabeschalter 13,14
auch zu den Steuereingängen der Polaritätswender 9 und 11. Der Eingang des Richtungsspeichers
15 wird über einen steuerbaren Übernahmeschalter 16 vom Stromrichtungsmel-
der
12 beaufschlagt. Der tibernahmeschalter 16 dient dabei zum Setzen des Richtungsspeichers
15. Dem Steuereingang des ttbernahmschalters 16 liegen Stromnullsignale N eines
Stromnullmelders 17 als ttbernahmesignale an. Der Stromnullmelder 17 wird über die
Verzweigungsstelle 8 mit dem Stromistwert Iist beaufschlagt.
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Der Stromrichter USR besteht aus zwei gleichspannungsseitig antiparallel
geschalteten Drehstrombrücken und wird von einer Drehspannung U« gespeist. Gleichspannungsseitig
ist ein Motor M an den Stromrichter USR angeschlossen, die Lastspannung beträgt
UDC. Die Zündimpulse ZA werden der ersten Drehstrombrücke und die Zündimpulse ZB
der zweiten Drehstrombrücke zugeleitet.
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Bei Vorliegen eines vom Stromnullmelder 17 erkannten Stromnulldurchganges
wird der bernahmeschalter 16 derart angesteuert, daß er die vom Stromrichtungsmelder
12 festgestellte Stromrichtung an den Richtungsspeicher 15 weitergibt. Je nach vorliegendem
Stromrichtungssignal R wird eine der beiden Drehstrombrcken des Stromrichters USR
mit Zündimpulsen beaufschlagt, die jeweils andere Drehstrombrücke bleibt gesperrt.
Zur Anpassung der Signale v bzw. Isoll+ an die vorliegende Stromrichtung, d.h. zur
Steuersinnumkehr, dienen auch die Polaritätswender (Umpoler) 9 bzw. 11.
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