FR3075516A1 - Procede de pilotage d'une machine electrique tournante suite a une detection d'un appel de charge - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur un procédé de pilotage d'une machine électrique tournante (10) caractérisé en ce qu'il comporte:
- une étape de génération d'un premier rapport cyclique d'excitation (Rv) à partir d'un écart (Ev) entre une valeur de tension de consigne (Vcons) et une valeur de tension réelle (Vs) en sortie de la machine électrique tournante,
- une étape de génération d'un deuxième rapport cyclique d'excitation (Rc) à partir d'un écart (Ec) entre une valeur de couple de consigne (Ccons) et une valeur réelle d'un couple (Cs) prélevé par la machine électrique tournante,
- une étape de sélection du plus petit rapport cyclique d'excitation entre le premier rapport cyclique d'excitation (Rv) et le deuxième rapport cyclique d'excitation (Rc), et
- une étape d'application à un rotor bobiné (12) de la machine électrique tournante d'un signal de commande ayant le plus rapport cyclique d'excitation (Rv, Rc) sélectionné.
Description
La présente invention porte sur un procédé de pilotage d'une machine électrique tournante suite à une détection d'un appel de charge.
Dans le domaine automobile, on connaît des machines électriques tournantes à excitation, utilisées comme alternateur ou alterno-démarreur, qui comprennent un inducteur tournant muni d’une bobine d’excitation ainsi qu'un stator polyphasé.
Lorsque la machine fonctionne en alternateur et que le rotor est tournant, les enroulements du stator fournissent des tensions alternatives qui sont redressées afin d’obtenir un courant et une tension continus. Cette tension continue est régulée de manière à fournir au réseau de bord d’alimentation électrique du véhicule une tension continue constante pour la charge de la batterie et l’alimentation des consommateurs connectés au réseau. L’alternateur fonctionne alors en générateur de courant à tension fixe.
La régulation de la tension de sortie de l’alternateur est réalisée de manière classique en ajustant le courant d’excitation circulant dans la bobine de l’inducteur.
À vitesse de rotation et à charge constante, la réponse de l’alternateur à une variation de consigne de tension et donc du courant d’excitation est limitée par la bande passante intrinsèque du système, constitué par la machine tournante, la batterie, les charges, et la régulation, qui dépend des caractéristiques électromécaniques de l’alternateur.
Pour les applications liées à l’automobile, la tension de sortie doit être régulée de manière à rester constante dans des plages de fonctionnement de la machine tournante (plages de vitesse de rotation et de charge électrique représentée par la batterie et les consommateurs) qui sont définies par les constructeurs du véhicule.
À cet effet, la tension de sortie est mesurée et comparée en permanence à une valeur de référence par un dispositif régulateur qui commande le courant d’excitation de manière à minimiser ou annuler l’erreur entre la tension de sortie mesurée et la valeur de référence.
Les régulateurs actuels pour alternateur intègrent une fonction appelée LRC (pour Load Response Control en anglais) qui permet d’éviter les à-coups de couple lors de la connexion d’une charge à l’alternateur. La fonction LRC permet de limiter le couple prélevé par l’alternateur suivant un mode de fonctionnement dit en boucle ouverte pendant lequel une rampe de progression du rapport cyclique d’excitation (exprimé en pourcentage d'excitation par seconde) est appliquée jusqu'à obtenir une tension de régulation attendue par la boucle de régulation.
Cependant, la valeur de couple limitée n’est pas connue par la fonction LRC (qui ne gère que le courant du rotor qui ne représente pas exactement le couple) en raison d'une variabilité des paramètres intrinsèques de la machine électrique, liée notamment à la température d'utilisation de la machine électrique ainsi qu'à la configuration des parties actives (rotor et stator). Cela peut poser des problèmes de commande du moteur thermique du véhicule automobile.
L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé de pilotage d'une machine électrique tournante destinée à être entraînée mécaniquement en rotation pour fournir une énergie électrique à un dispositif de stockage d'énergie, caractérisé en ce qu'il comporte:
- une étape de génération d’un premier rapport cyclique d’excitation à partir d’un écart entre une valeur de tension de consigne et une valeur de tension réelle en sortie de la machine électrique tournante,
- une étape de génération d’un deuxième rapport cyclique d’excitation à partir d’un écart entre une valeur de couple de consigne et une valeur réelle d’un couple prélevé par la machine électrique tournante,
- une étape de sélection du plus petit rapport cyclique d’excitation entre le premier rapport cyclique d’excitation et le deuxième rapport cyclique d’excitation, et
- une étape d’application à un rotor bobiné de la machine électrique tournante d’un signal de commande ayant le plus rapport cyclique d’excitation sélectionné.
L’invention permet ainsi, en cas de détection d'un appel de charge, d'activer une boucle de régulation en couple fonctionnant en parallèle de la boucle de régulation en tension. Cette boucle permet de connaître à tout moment la valeur du couple prélevé par l'alternateur, de sorte que les éventuels problèmes de commande du moteur thermique lors d'un appel de charge sont évités. En outre, la boucle de régulation la plus restrictive est activée naturellement, de telle façon que lorsque la limitation en couple est prise en compte par le régulateur, la tension n’est plus régulée. Ainsi, quel que soit le mode de fonctionnement, le système reste en boucle fermée.
Selon une mise en œuvre, l’étape de génération d’un deuxième rapport cyclique d’excitation comporte en outre :
- une étape de détection d'un appel de charge,
- une étape de mesure ou d'estimation d'un couple prélevé par la machine électrique tournante,
- une étape d'élaboration d'une consigne de couple de la machine électrique tournante.
Selon une mise en œuvre, l'appel de charge est détecté par comparaison d'un écart entre un rapport cyclique appliqué et un rapport cyclique demandé par rapport à un seuil. Ce seuil peut être ajustable ou prédéterminé.
Selon une mise en œuvre, l'appel de charge est détecté par comparaison entre un rapport cyclique demandé et un seuil de déclenchement déterminé par rapport à un rapport cyclique moyen. Ce rapport cyclique moyen est calculé.
Selon une mise en œuvre, l'appel de charge est détecté par comparaison entre un couple demandé et un seuil de déclenchement déterminé par rapport à un couple moyen mesuré ou estimé.
Selon une mise en œuvre, le couple prélevé par la machine électrique tournante est mesuré au moyen d'un couple-mètre.
Selon une mise en œuvre, le couple prélevé par la machine électrique tournante est estimé à partir des paramètres suivants: une vitesse de rotation, une tension délivrée, un courant d'excitation, et un rendement de la machine électrique tournante. L'utilisation du rendement de la machine permet d'améliorer l'estimation du couple prélevé par la machine électrique tournante. En outre, on évite d'avoir recours à un capteur dédié, ce qui permet de limiter l'encombrement ainsi que le coût du système.
Selon une mise en œuvre, la consigne de couple est élaborée selon une rampe de consigne à partir du couple prélevé mesuré ou estimé.
Selon une mise en œuvre, une valeur de couple maximal est également prise en compte dans l'élaboration de la consigne de couple. Cela permet de limiter la demande de couple.
Selon une mise en œuvre, la rampe de consigne et la valeur de couple maximal sont des valeurs fixes, enregistrées par défaut dans la mémoire du régulateur, et/ou des valeurs ajustables, générées par un calculateur moteur et transmises, via un canal de communication, par le calculateur moteur au régulateur.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte en outre une étape de correction de l'écart de couple et une étape de conversion de l'écart de couple corrigé en un rapport cyclique. Cela permet d'améliorer la précision du pilotage de la machine électrique.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte en outre une étape de correction de l'écart de tension et une étape de conversion de l'écart de tension corrigé en un rapport cyclique. Cela permet d'améliorer la précision du pilotage de la machine électrique.
Selon une mise en œuvre, la machine électrique tournante pilotée est un alternateur ou un alterno-démarreur pour véhicule automobile.
L'invention a également pour objet une machine électrique tournante de véhicule automobile munie d'un régulateur embarquant des fonctions pour la mise en œuvre du procédé de pilotage tel que précédemment défini.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 est une représentation schématique d'une machine électrique tournante munie d'un régulateur mettant en œuvre le procédé de pilotage selon la présente invention ;
La figure 2 est une représentation schématique illustrant une variante de réalisation du régulateur comportant un estimateur du couple prélevé par l'arbre de la machine électrique tournante sur l’arbre moteur ;
La figure 3 est une représentation schématique illustrant une variante de réalisation du régulateur déterminant un seuil de déclenchement de la boucle de régulation en couple par rapport à un couple moyen estimé;
La figure 4 est une représentation graphique d'une courbe de saturation pouvant être implémentée pour réaliser la fonction de sélection du plus petit rapport cyclique d'excitation appliqué à la bobine rotorique ;
La figure 5 montre des représentations graphiques de l'évolution, en fonction du temps, du rapport cyclique d'excitation et du couple de l'alternateur lors d'une mise en œuvre du procédé selon la présente invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1 est une représentation schématique d'un alternateur 10 apte à transformer l'énergie mécanique du moteur thermique en une énergie électrique destinée à alimenter les charges et à recharger un dispositif de stockage d'énergie, tel qu'une batterie 11. La batterie 11 ayant par exemple une tension de fonctionnement de 12V, 24V, ou 48V pourra être une batterie au plomb, une batterie de type Lithium-Ion ou encore une association de ces deux types de batteries.
À cet effet, un rotor bobiné 12 portant une bobine d'excitation est monté sur un arbre 13 comportant une poulie 14 reliée au moteur thermique via un dispositif de transmission de mouvement, notamment du type à courroie. Un stator 16 est muni d'un bobinage relié à un pont de diodes dont les sorties sont connectées électriquement entre la borne positive et la masse de la batterie 11. Des charges 17 du réseau de bord du véhicule automobile sont connectées aux bornes de la batterie 11.
En outre, un régulateur 18 comporte un pont en H ou un étage de puissance 19 intégrant des transistors de pilotage, typiquement de type MOS, permettant d'appliquer un signal de commande ayant un rapport cyclique variable aux bornes de la bobine d'excitation du rotor 12. Le courant moyen dans la bobine d'excitation est proportionnel au rapport cyclique d'excitation de la commande.
Le régulateur 18 embarque des fonctions pour la mise en œuvre du procédé de pilotage selon l'invention basée sur le fonctionnement en parallèle d'une boucle de régulation en tension 21 et d'une boucle de régulation en couple 22 de l'alternateur 10.
Plus précisément, la boucle de régulation en tension 21 permet de réguler la tension de sortie de l'alternateur 10. À cette fin, un comparateur 21.1 assure la comparaison entre une valeur de tension réelle Vs mesurée en sortie de l'alternateur 10 et une valeur de tension de consigne Vcons correspondant à la tension souhaitée aux bornes de la batterie 11 pour déterminer un écart en tension Ev entre ces deux valeurs.
Un correcteur 21.2 assure une correction de l'écart en tension Ev. Le correcteur 21.2 est de préférence de type Proportionnel-lntégral (PI), mais pourrait en variante être un correcteur proportionnel (P) ou un correcteur Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID).
Un convertisseur 21.3, tel qu'un modulateur de largeurs d’impulsions, transforme l'écart en tension Ev corrigé en un rapport cyclique d'excitation Rv. On pourra se référer au document WO2011058259 pour plus de détails sur le fonctionnement de la boucle de régulation en tension.
Par ailleurs, la boucle de régulation en couple 22 est intégrée en parallèle à la boucle de régulation en tension 21.
Afin de réaliser l’asservissement en couple lors d’une variation de charge électrique sur l’alternateur 10, il est nécessaire d’obtenir le couple de l'alternateur Cs à l’aide d’un dispositif de mesure de couple 23, dit couple-mètre.
Alternativement, dans les modes de réalisation des figures 2 et 3, le couple prélevé Cs par l’alternateur est estimé, à l'aide du module 22.1, à partir des paramètres suivants : une vitesse de rotation Ω, une tension délivrée Vs, un courant d'excitation lr (courant rotor), et un rendement de l'alternateur η. Les grandeurs électriques sont des variables d'état disponibles dans le régulateur 18.
Ainsi, le couple de l’alternateur peut s’obtenir via la relation simplifiée suivante :
Cs=(Vs.lalt)/(qO),
- Cs étant le couple prélevé par l’alternateur (N.m),
- Vs étant la tension alternateur (V),
- lait étant le courant de sortie de l’alternateur (courant stator) (A), estimé à partir de lr, Ω, Vs et η,
- η étant le rendement de l’alternateur, et
- Ω étant la vitesse de rotation de l’alternateur (rad/s).
Par ailleurs, le module 22.2 permet de détecter un appel de charge. Le module 22.2 peut par exemple détecter l'appel de charge par comparaison d'un écart entre un rapport cyclique appliqué Rapp et un rapport cyclique demandé Rv par rapport à un seuil. Ce seuil est soit ajustable, via un canal de communication entre le régulateur 18 et le contrôle moteur, soit prédéterminé (valeurs par défaut implémentées dans le régulateur).
Alternativement, le module 22.2 détecte l'appel de charge par comparaison entre un rapport cyclique demandé et un seuil de déclenchement déterminé par rapport à un rapport cyclique moyen.
Alternativement, comme cela est illustré par la figure 3, l'appel de charge est détecté par comparaison entre un couple demandé et un seuil de déclenchement déterminé par rapport à un couple moyen mesuré ou estimé par le module 22.1. Dans ce cas, on définit un seuil de déclenchement correspondant par exemple à une valeur du couple moyen à laquelle s'ajoute une bande morte de couple, et dès que le couple demandé dépasse le seuil de déclenchement, la boucle de régulation en couple 22 est activée. Lorsque l’excitation demandée devient inférieure ou égale à l’excitation appliquée, la boucle de régulation en couple 22 est désactivée. La boucle de régulation en tension 21 est alors utilisée.
Le module 22.3 est apte à élaborer une consigne de couple de sortie Ccons. La consigne de couple Ccons est élaborée selon une rampe de consigne K (exprimée en N.m/s) commençant à partir du couple prélevé Cs mesuré ou estimé. Une valeur de couple maximal Cmax est également prise en compte dans l'élaboration de la consigne de couple Ccons afin de pouvoir limiter le couple prélevé.
La rampe de consigne K et/ou la valeur de couple maximal Cmax peuvent être des valeurs ajustables. La rampe de consigne K et/ou la valeur de couple maximal Cmax peuvent ainsi être des valeurs générées par le calculateur moteur via un canal de communication entre le régulateur 18 et le contrôle moteur de type LIN (pour Local Interconnect Network en anglais) ou CAN (pour Control 1er Area Network en anglais).
Alternativement, la rampe de consigne K et/ou la valeur de couple maximal Cmax sont des valeurs prédéterminées implémentées dans le régulateur 18 (valeurs par défaut) en cas d’absence de communication avec le calculateur moteur.
Un comparateur 22.4 assure la comparaison entre la valeur du couple Cs prélevé par l'alternateur 10 et la valeur du couple de consigne Ccons pour déterminer un écart en couple Ec entre ces deux valeurs.
Un correcteur 22.5 assure une correction de l'écart en couple Ec et assure la stabilité du couple en boucle fermée. Le correcteur 22.5 permet de garantir une marge de phase et une marge de gain suffisante de la boucle d’asservissement du contrôle en couple 22. Le correcteur 22.5 permet également de minimiser l’erreur de couple Ec entre la consigne Ccons et la valeur de couple Cs mesurée ou estimée. Le correcteur 22.5 est de préférence de type Proportionnel-lntégral (PI), mais pourrait en variante être un correcteur proportionnel (P) ou un correcteur Proportionnel-lntégralDérivé (PID). Une amélioration serait d’utiliser un correcteur de type PI2 afin d’annuler l’erreur de traînage en couple.
Un convertisseur 22.6, tel qu'un modulateur de largeurs d’impulsions, transforme l'écart en couple Ec corrigé en un rapport cyclique d'excitation Rc.
Le module 21.4 assure une sélection du plus petit rapport cyclique d'excitation entre le rapport cyclique d'excitation Rv et le rapport cyclique d'excitation Rc. Le plus petit rapport cyclique d'excitation peut être sélectionné par exemple via l'application d'une courbe de saturation Csat ayant une valeur maximale imposée par le rapport cyclique d'excitation Rc. Ainsi, comme cela est illustré par la figure 4, la courbe Csat sélectionne un rapport cyclique Rapp correspondant au rapport cyclique Rv sauf dans le cas où le maximum imposé par le rapport cyclique Rc est inférieur à la valeur de Rv.
Le signal de commande Rapp ayant le plus petit rapport cyclique d'excitation sélectionné est appliqué au rotor bobiné 12 de l'alternateur 10 via l’étage de puissance 19.
Ainsi, lorsque le minimum de rapport cyclique est en faveur de la tension Vs, l'alternateur 10 est piloté de telle façon que le rapport cyclique Rv est appliqué au rotor 12. Il en résulte un asservissement de la tension de sortie Vs de l'alternateur 10.
Lorsque le minimum de rapport cyclique est en faveur du couple Cs du fait d'une détection d'un appel de charge, l'alternateur est piloté de telle façon que le rapport cyclique Rc est appliqué au rotor bobiné 12 de l'alternateur 10. Il en résulte un asservissement du couple prélevé Cs par l'alternateur 10.
On décrit ci-après en référence avec la figure 5, l'activation de la boucle de régulation en couple 22 suite à la détection d’un appel de charge basée sur la comparaison entre le rapport cyclique demandé Rv et un seuil de déclenchement A déterminé par rapport au rapport cyclique moyen demandé Rmoy.
Le seuil de déclenchement A est calculé en permanence par rapport à la valeur moyenne du rapport cyclique de régulation Rmoy. Le seuil de déclenchement A est obtenu en ajoutant une valeur prédéterminée à la valeur moyenne du rapport cyclique Rmoy. Cela permet de définir une bande morte B autorisant une variation du rapport cyclique Rv sans activer la boucle de régulation en couple 22, tel que cela est le cas entre les instants tO et t1. L'alternateur 10 est alors piloté par un asservissement de la boucle de régulation en tension 21.
À l'instant t1, dès que le rapport cyclique demandé Rv dépasse le seuil de déclenchement A, la boucle de régulation en couple 22 est activée. Le module 22.3 élabore alors une consigne de couple Ccons suivant une rampe K prédéterminée à partir du couple Cs mesuré ou estimé et de la valeur de couple maximale Cmax. Cette rampe de couple K contrôle un asservissement de couple prélevé par l’alternateur pendant la période transitoire entre les instants t1 et t2.
Lorsque, à l'instant t2, le rapport cyclique demandé Rv devient inférieur ou égal au rapport cyclique appliqué Rc, la boucle de régulation en couple 22 n’est plus sélectionnée par le module 21.4 et l'alternateur 10 est de nouveau piloté par un asservissement de la boucle de régulation en tension 21. On définit alors, à chaque instant, un nouveau rapport cyclique moyen et un nouveau seuil de déclenchement déterminé par rapport au nouveau rapport cyclique moyen.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Procédé de pilotage d'une machine électrique tournante (10) destinée à être entraînée mécaniquement en rotation pour fournir une énergie électrique à un dispositif de stockage d'énergie (11), caractérisé en ce qu'il comporte:- une étape de génération d’un premier rapport cyclique d’excitation (Rv) à partir d’un écart (Ev) entre une valeur de tension de consigne (Vcons) et une valeur de tension réelle (Vs) en sortie de la machine électrique tournante,- une étape de génération d’un deuxième rapport cyclique d’excitation (Rc) à partir d’un écart (Ec) entre une valeur de couple de consigne (Ccons) et une valeur réelle d’un couple (Cs) prélevé par la machine électrique tournante,- une étape de sélection du plus petit rapport cyclique d’excitation entre le premier rapport cyclique d’excitation (Rv) et le deuxième rapport cyclique d’excitation (Rc), et- une étape d’application à un rotor bobiné de la machine électrique tournante d’un signal de commande ayant le plus petit rapport cyclique d’excitation sélectionné.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de génération d’un deuxième rapport cyclique d’excitation (Rc) comporte en outre :- une étape de détection d'un appel de charge (App_ch),- une étape de mesure ou d'estimation d'un couple prélevé (Cs) par la machine électrique tournante (10),- une étape d'élaboration d'une consigne de couple (Ccons) de la machine électrique tournante (10).
- 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appel de charge (App_ch) est détecté par comparaison d'un écart entre un rapport cyclique appliqué (Rapp) et un rapport cyclique demandé (Rv) par rapport à un seuil.
- 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appel de charge (App_ch) est détecté par comparaison entre un rapport cyclique demandé (Rv) et un seuil de déclenchement (A) déterminé par rapport à un rapport cyclique moyen (Rmoy).
- 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appel de charge (App_ch) est détecté par comparaison entre un couple demandé et un seuil de déclenchement déterminé par rapport à un couple moyen mesuré ou estimé.
- 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le couple prélevé (Cs) par la machine électrique tournante est mesuré au moyen d'un couple-mètre (23).
- 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le couple prélevé (Cs) par la machine électrique tournante (10) est estimé à partir des paramètres suivants : une vitesse de rotation (Ω), une tension délivrée (Vs), un courant d'excitation (Ir), et un rendement (η) de la machine électrique tournante (10).
- 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la consigne de couple (Ccons) est élaborée selon une rampe de consigne (K) à partir du couple prélevé (Cs) mesuré ou estimé.
- 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une valeur de couple maximal (Cmax) est également prise en compte dans l'élaboration de la consigne de couple (Ccons).
- 10. Procédé selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la rampe de consigne (K) et la valeur de couple maximal (Cmax) sont des valeurs fixes, enregistrées par défaut dans une mémoire d’un régulateur (18), et/ou des valeurs ajustables, générées par un calculateur moteur et transmises, via un canal de communication, du calculateur moteur au régulateur (18).
- 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de correction de l'écart de couple (Ec) et une étape de conversion de l'écart de couple (Ec) corrigé en un rapport cyclique (Rc).
- 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de correction de l'écart de tension (Ev) et une étape de conversion de l'écart de tension (Ev) corrigé en un rapport cyclique (Rv).5
- 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la machine électrique tournante pilotée (10) est un alternateur ou un alterno-démarreur pour véhicule automobile.
- 14. Machine électrique tournante de véhicule automobile munie d'un régulateur (18) embarquant des fonctions pour la mise en œuvre du procédé îo de pilotage tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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DE102007025492A1 (de) * | 2006-06-06 | 2007-12-13 | Denso Corp., Kariya | Elektroleistungsversorgungssystem für ein Motorfahrzeug |
DE102009046760A1 (de) * | 2009-11-17 | 2011-05-19 | Robert Bosch Gmbh | Vorrichtung zur Minimierung der Stromaufnahme eines KFZ-Generators aus der Batterie während der Startphase eines Kraftfahrzeugs |
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