JP2005195383A - 実効値電圧算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間で精度が高い発電機の出力電圧の算出値を求める。
【解決手段】 発電機の第１出力電圧の瞬時値（Ｖ_a）を検出する第１出力電圧検出手段と、前記第１出力電圧の瞬時値に対して位相差が１２０度である第２出力電圧の瞬時値（Ｖ_b）を検出する第２出力電圧検出手段と、前記第１出力電圧の瞬時値と前記第２出力電圧の瞬時値とから、式（１）の演算を行うことにより前記発電機の近似実効値電圧（Ｅ）を算出する近似実効値電圧算出手段２３と、を備える近似実効値電圧算出装置１０とした。
Ｅ＝｛２（Ｖ_a ²＋Ｖ_aＶ_b＋Ｖ_b ²）／３｝^1/2 （１）
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電機の出力電圧の実効値を算出するための装置に関する。

従来、三相交流発電機の出力電圧を算出するための方法としては、三相交流発電機の出力電圧を変圧器により降圧し、三相全波整流して検出する方法が用いられていた。しかし、この方法は出力電圧の平均値を検出しているため、歪みにより電圧波形が負荷接続状態と無負荷状態で変化するような場合には、算出値が大きく異なってしまう。そのため、自動電圧調整装置等における算出値として平均値を使用する場合には、電圧変動率（電圧整定率）を良好に保つことが困難であった。

そこで、前記欠点を改善するために、出力電圧（Ｖ_i）の設定周波数に応じたサンプリング周波数に対し、１周期の間でデータサンプリングした所定数（ｎ）の出力電圧の瞬時値を用いて、以下の式（ａ）により実効値を演算することにより行う方法が用いられている（特許文献１）。
実効値＝（（１／ｎ）Σ_iＶ_i ²）^1/2 （ａ）
特開平１０−１０１６３号公報（［０００７］，［００１２］）

しかし、この方法は、出力電圧の真の実効値を算出する方法としては優れているが、１周期経過後でないと実効値が求められないことから、自動電圧調整装置等における算出値として実効値を使用する場合には時間を要しすぎるため、不適当であるという問題点を有していた。その上、検出された出力電圧の周波数によりデータサンプルの積算間隔が変化することになるため、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」という）等によるその後の処理が複雑になるという問題点を有していた。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、短時間で精度が高い発電機の出力電圧の算出値を求めることが可能となる実効値電圧算出装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の実効値電圧算出装置は、発電機の出力電圧の瞬時値を所望の割合に降圧する降圧手段と、前記降圧手段により降圧した前記発電機の出力電圧の瞬時値のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された前記発電機の第１出力電圧の瞬時値を検出する第１出力電圧検出手段と、前記第１出力電圧の瞬時値に対して位相差が１２０度であり、前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された第２出力電圧の瞬時値を検出する第２出力電圧検出手段と、前記第１出力電圧の瞬時値と前記第２出力電圧の瞬時値とから、式（３）の演算を行うことにより前記発電機の実効値電圧を算出する実効値電圧算出手段と、を備えることを特徴としている。
Ｅ＝｛２（Ｖ_a ²＋Ｖ_aＶ_b＋Ｖ_b ²）／３｝^1/2 （３）
Ｅ：実効値電圧
Ｖ_a：第１出力電圧の瞬時値
Ｖ_b：第２出力電圧の瞬時値

また、本発明の実効値電圧算出装置は、発電機の出力電圧の瞬時値を所望の割合に降圧する降圧手段と、前記降圧手段により降圧した前記発電機の出力電圧の瞬時値のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された前記発電機の第１出力電圧の瞬時値を検出する第１出力電圧検出手段と、前記第１出力電圧の瞬時値に対して位相差が１２０度であり、前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された第２出力電圧の瞬時値を検出する第２出力電圧検出手段と、前記第２出力電圧の瞬時値に対して位相差が１２０度であり、前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された第３出力電圧の瞬時値を検出する第３出力電圧検出手段と、前記第１出力電圧の瞬時値と前記第２出力電圧の瞬時値とから算出される第１実効値電圧と、前記第２出力電圧の瞬時値と前記第３出力電圧の瞬時値とから算出される第２実効値電圧と、前記第３出力電圧の瞬時値と前記第１出力電圧の瞬時値とから算出される第３実効値電圧とを用いて、式（４）の演算を行うことにより前記発電機の平均実効値電圧を算出する平均実効値電圧算出手段と、を備えることを特徴としている。
Ｅ_m＝（Ｅ₁＋Ｅ₂＋Ｅ₃）／３ （４）
Ｅ_m：平均実効値電圧
Ｅ₁：第１実効値電圧
Ｅ₂：第２実効値電圧
Ｅ₃：第３実効値電圧

さらに、前記実効値電圧算出装置において、前記実効値電圧算出手段により前記実効値電圧が算出されるごとに、前記実効値電圧の最新値から所定個数遡った一群の実効値電圧の時系列データを格納するメモリと、前記実効値電圧を随時読みとり、この読みとられた実効値電圧のデータで、前記メモリに格納されていた時系列データの中の最古のデータを置換した上で、前記実効値電圧の時系列データから移動平均値を算出する移動平均値算出手段と、を備える構成とすれば好適である。

また、同様に、前記実効値電圧算出装置において、前記平均実効値電圧算出手段により前記平均実効値電圧が算出されるごとに、前記平均実効値電圧の最新値から所定個数遡った一群の平均実効値電圧の時系列データを格納するメモリと、前記平均実効値電圧を随時読みとり、この読みとられた平均実効値電圧のデータで、前記メモリに格納されていた時系列データの中の最古のデータを置換した上で、前記平均実効値電圧の時系列データから移動平均値を算出する移動平均値算出手段と、を備える構成とすれば好適である。

本発明によれば、各出力電圧の瞬時値の検出ごとに、検出方法として全波整流して求めた平均値と比較して精度が高い実効値電圧を即座に算出することができる。そのため、この実効値電圧を用いて、各種制御を行うことにより、電圧変動率の誤差を小さくすることができる。
また、第１実効値電圧〜第３実効値電圧を用いて、平均実効値電圧算出手段により平均実効値電圧を算出することで実効値電圧に含まれる計測誤差を平均化することができる。
さらに、発電機の出力電圧が理想的な波形でなく、ノイズや高調波の影響を受けて波形歪みが生じた場合であっても、移動平均値算出手段により所定数の実効値電圧又は平均実効値電圧の移動平均を算出してその値を修正して使用することで、算出精度を向上させることができる。

本発明を実施するための最良の一形態（以下「実施形態」という）について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、発電機電機子巻線（図示しないＵ，Ｖ，Ｗ）を備えている三相交流発電機（図示せず）を例として説明する。

［実効電圧算出方法の考え方］
三相交流発電機の出力電圧の波形は、各々１２０度の位相差がある式（１−１）〜式（１−３）で表される３つのサインカーブとして表現することができる。

Ｖ_uv,t＝２^1/2・Ｅ_t・ｓｉｎ（ωｔ＋θ） （１−１）
Ｖ_vw,t＝２^1/2・Ｅ_t・ｓｉｎ（ωｔ＋θ−２π／３） （１−２）
Ｖ_wu,t＝２^1/2・Ｅ_t・ｓｉｎ（ωｔ＋θ−４π／３） （１−３）
Ｖ_uv,t：ｔ時点における発電機電機子巻線ＵＶ間で検出される出力電圧の瞬時値
（後記第３検出電圧に相当）
Ｖ_vw,t：ｔ時点における発電機電機子巻線ＶＷ間で検出される出力電圧の瞬時値
（後記第１検出電圧に相当）
Ｖ_wu,t：ｔ時点における発電機電機子巻線ＷＵ間で検出される出力電圧の瞬時値
（後記第２検出電圧に相当）
Ｅ_t：ｔ時点における実効値電圧

本発明では、このうちの２つの出力電圧、例えば、Ｖ_vw,t（第１出力電圧の瞬時値に相当する）及びＶ_wu,t（第２出力電圧の瞬時値に相当する）から、以下の方法により第１実効値電圧を求めることができる。
まず、式（１−２）及び式（１−３）に加法定理を適用すると、式（２−２）及び式（２−３）になる。

Ｖ_vw,t＝２^1/2・Ｅ_t｛−（１／２）ｓｉｎ（ωｔ＋θ）
−（３^1/2／２｝ｃｏｓ（ωｔ＋θ）｝ （２−２）
Ｖ_wu,t＝２^1/2・Ｅ_t｛−（１／２）ｓｉｎ（ωｔ＋θ）
＋（３^1/2／２｝ｃｏｓ（ωｔ＋θ）｝ （２−３）

式（２−２）＋式（２−３）から、
Ｖ_vw,t＋Ｖ_wu,t＝−２^1/2・Ｅ_t・ｓｉｎ（ωｔ＋θ） であるため、
ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＝−（Ｖ_vw,t＋Ｖ_wu,t）／（２^1/2・Ｅ_t） （３−１）

式（２−２）−式（２−３）から、
Ｖ_vw,t−Ｖ_wu,t＝−６^1/2・Ｅ_t・ｃｏｓ（ωｔ＋θ） であるため、
ｃｏｓ（ωｔ＋θ）＝−（Ｖ_vw,t−Ｖ_wu,t）／（６^1/2・Ｅ_t） （３−２）

ｓｉｎ²（ωｔ＋θ）＋ｃｏｓ²（ωｔ＋θ）＝１であるから、
式（３−１），式（３−２）を用い、
（Ｅ_t）₁＝｛２（Ｖ_vw,t ²＋Ｖ_vw,tＶ_wu,t＋Ｖ_wu,t ²）／３｝^1/2 （４−１）
但し、Ｖ_vw,tとＶ_wu,tから算出された第１実効値電圧（Ｅ_t）を（Ｅ_t）₁の ように表記した

同様の考え方で、式（１−３）のＶ_wu,t及び式（１−１）のＶ_uv,t、式（１−１）のＶ_uv,t及び式（１−２）のＶ_vw,t、を用いて、第２実効値電圧（Ｅ_t）₂，第３実効値電圧（Ｅ_t）₃を求めると、式（４−２）と、式（４−３）のようになる。
（Ｅ_t）₂＝｛２（Ｖ_wu,t ²＋Ｖ_wu,tＶ_uv,t＋Ｖ_uv,t ²）／３｝^1/2 （４−２）
（Ｅ_t）₃＝｛２（Ｖ_uv,t ²＋Ｖ_uv,tＶ_vw,t＋Ｖ_vw,t ²）／３｝^1/2 （４−３）

このとき、式（４−１）〜式（４−３）で得られた第１実効値電圧〜第３実効値電圧の平均を取り、平均実効値電圧を算出する（式（５−１））と、計測誤差を平均化することができる。
（Ｅ_t）_m＝｛（Ｅ_t）₁＋（Ｅ_t）₂＋（Ｅ_t）₃｝／３ （５−１）
（Ｅ_t）_m：ｔ時点における平均実効値電圧

前記方法は、三相交流発電機の出力電圧の波形が理想的なサインカーブの場合に特に効果的である。
一方、三相交流発電機の出力電圧の波形が、ノイズや高調波等の影響を受けることに起因して理想的なサインカーブでなくなった場合には、平均実効値電圧（又は、各実効値電圧）のｔ時点から所定個数（ｎ、例えば４個）遡った一群の平均実効値電圧の時系列データの移動平均をとることにより移動平均実効値電圧を求めることができる（式（６−１））。
Ｅ’_t＝Σ_t'=1-n（Ｅ_t'）_m／ｎ （６−１）
Ｅ’_t：ｔ時点における移動平均をとった移動平均実効値電圧
ｔ’：ｔ時点から所定個数（ｎ）遡った時点
Σ_t'=1〜n：ｔ’が１〜ｎまでの（Ｅ_t'）_mの和をとる演算を示す

［実効値電圧算出装置］
本発明の実効値電圧算出装置１０は三相交流発電機（図示せず）に設けられており、第１変圧器１１〜第３変圧器１３（降圧手段）と、マイコン２０におけるＡ／Ｄコンバータ２１（Ａ／Ｄ変換手段）、出力電圧検出手段２２、実効値電圧算出手段２３、平均実効値電圧算出手段２４、移動平均実効値電圧算出手段２５（移動平均値算出手段）及び記憶手段２６と、から構成されている。

図１に示すように、変圧器１１〜１３は、三相交流発電機における出力電圧の瞬時値を所望の割合に降圧するために設けられるものであり、第１変圧器１１の一次巻線は、発電機電機子巻線Ｖ，Ｗの出力端子に、第２変圧器１２の一次巻線は、発電機電機子巻線Ｗ，Ｕの出力端子に、第３変圧器１３の一次巻線は、発電機電機子巻線Ｕ，Ｖの出力端子に、それぞれ接続されている。また、変圧器１１〜１３の二次巻線はＡ／Ｄコンバータ２１と接続されている。

Ａ／Ｄコンバータ２１は、変圧器１１〜１３により降圧された三相交流発電機における出力電圧の瞬時値のアナログ値をデジタル値に変換して、出力電圧検出手段２２に出力するための手段である（以下、第１変圧器１１、第２変圧器１２及び第３変圧器１３を介して降圧された後に、Ａ／Ｄコンバータ２１から出力されて、出力電圧検出手段２２により検出された出力電圧の瞬時値を「第１検出電圧」、「第２検出電圧」及び「第３検出電圧」という）。

本実施形態では、一つのＡ／Ｄコンバータ２１及び出力電圧検出手段２２を用いて、第１変圧器１１〜第３変圧器１３により降圧した三相交流発電機における出力電圧の各々の瞬時値のアナログ信号をデジタル信号に変換して、所定の周期（例えば、４００μｓｅｃ）毎にその値を出力電圧検出手段２２により検出して、実効値電圧算出手段２３〜移動平均実効値電圧算出手段２５により一連の演算処理をすることとしており、前記出力電圧検出手段２２が第１出力電圧検出手段〜第３出力電圧検出手段に相当する。
なお、他の実施形態として、検出する三相交流発電機における出力電圧の瞬時値の個数分のＡ／Ｄコンバータ及び出力電圧検出手段を設ける構成としてもよい。

また、実効値電圧算出手段２３は、出力電圧検出手段２２で検出された第１検出電圧〜第３検出電圧から第１実効値電圧〜第３実効値電圧を算出するための手段である。この第１実効値電圧〜第３実効値電圧は、前記した考え方により、検出時点（ｔ）における第１検出電圧〜第３検出電圧を用いて、式（４−１）〜式（４−３）を演算することにより算出される。
平均実効値電圧算出手段２４は、実効値電圧算出手段２３で算出された第１実効値電圧〜第３実効値電圧から、式（５−１）を演算することにより、平均実効値電圧を算出するための手段である。算出された平均実効値電圧は、記憶手段２６のメモリ２６ａに格納されるようになっている。

記憶手段２６は、所定数である一群の平均実効値電圧の時系列データを格納するためのメモリ２６ａを備えている。このメモリ２６ａは、平均実効値電圧の最新値から所定個数遡った一群の平均実効値電圧の時系列データを常に記憶できるようになっている。すなわち、平均実効値電圧算出手段２４により所定の周期にて平均実効値電圧が算出されるごとに、当該平均実効値電圧を逐次読みとり、当該平均実効値電圧をメモリ２６ａに格納する。そして、既にメモリ２６ａに格納されている平均実効値電圧の最古値を最新値に置換（更新）することにより、常に当該最新値から所定個数遡った一群の平均実効値電圧の時系列データが、メモリ２６ａに格納されるようになっている。

移動平均実効値電圧算出手段２５は、平均実効値電圧算出手段２４により、平均実効値電圧が算出されるごとに、記憶手段２６のメモリ２６ａから抽出された所定数である一群の平均実効値電圧の時系列データを用いて、式（６−１）により移動平均実効値電圧を算出するための手段である。
算出された移動平均実効値電圧、及び、第１実効値電圧〜第３実効値電圧は、マイコン２０の他の手段に出力されることで、三相交流発電機に接続されている自動電圧調整装置やインバータ装置の入力値とすること等に用いることができる。

［実効値電圧算出装置の動作］
本発明の実効値電圧算出装置１０の動作について説明する。

まず、１２０度の位相差を有する三相交流発電機における出力電圧の瞬時値は、第１変圧器１１〜第３変圧器１３で所望の割合に降圧され、Ａ／Ｄコンバータ２１によりデジタル値に変換されて、出力電圧検出手段２２で検出される。
そして、検出された第１検出電圧〜第３検出電圧は、実効値電圧算出手段２３に入力され、前記式（４−１）〜式（４−３）の演算が行われることにより、第１実効値電圧〜第３実効値電圧が算出されるとともに、式（５−１）により、平均実効値電圧が算出され、その値が記憶手段２６のメモリ２６ａに格納される。
そして、移動平均実効値電圧算出手段２５は、平均実効値電圧が算出されるごとにその値を随時読みとり、この読みとられた平均実効値電圧の最新データで、記憶手段２６のメモリ２６ａから抽出された一群の時系列データの中の最古のデータを置換した上で、当該平均実効値電圧の時系列データを用いて、式（６−１）の演算を行い移動平均実効値電圧を算出し、マイコン２０の他の手段に出力することになる。

なお、本実施形態では、図１の実線矢印で示すように、マイコン２０における平均実効値電圧算出手段２４から算出された平均実効値電圧を用い、移動平均実効値電圧算出手段２５により移動平均実効値電圧を算出する方法に関して説明を行った。しかし、図１の破線矢印で示すように、平均実効値電圧を用いることなく、実効値電圧算出手段２３から算出された第１実効値電圧〜第３実効値電圧を用いて、移動平均電圧実効値電圧算出手段２５により移動平均実効値電圧を算出することもできる。

このように、本発明の実効値電圧算出装置１０によれば、実効値電圧算出手段２３により、三相交流発電機の第１出力電圧〜第３出力電圧の瞬時値を検出したごとに、全波整流して求めた平均値と比較して精度が高い実効値電圧を即座に算出することができる。従って、この実効値電圧を用いて、各種制御を行うことにより、電圧変動率の誤差を小さくすることができる。
なお、この実効値電圧は、真の実効値と比較して若干精度は劣ることになるが、１周期ごとに検出するのではなく、前記所定の周期ごとに検出しているので算出速度が迅速であるため、三相交流発電機に接続されている自動電圧調整装置やインバータ装置等における入力値として使用する場合には、非常に効果的である。
また、算出された実効値電圧は、三相交流発電機の出力電圧の周波数に依存することがないため、マイコン２０等によるその後の処理を容易に行うことができる。

さらに、三相交流発電機の出力電圧がノイズや高調波の影響を受けて波形歪みが生じた場合であっても、移動平均実効値電圧算出手段２５により所定数の平均実効値電圧の移動平均を算出して、当該平均実効値電圧を修正することで、算出精度を向上させることができる。

以上、本発明について、好適な実施形態についての一例を説明したが、本発明は当該実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
前記実施形態では、３つの変圧器を使用したが、１つの三相用変圧器を用いてもよく、所定の割合に降圧できる装置であればよい。従って、変圧器の数は必要とする相数に対応していればよく、降圧手段として成立するものであれば、適宜定めることができる。
また、前記実施形態では、三相交流発電機について記載してあるが、１２０度の位相差である出力電圧を出力可能な発電機であればよい。
そして、本発明では、出力電圧検出手段として、線間電圧の瞬時値を検出する構成としたが、相電圧の瞬時値を検出する構成としてもよい。
さらに、本発明の実効値電圧算出装置は、エンジン駆動発電機に限らず、種々の発電機に適用可能である。

本発明の実効値電圧算出装置の構成図である。

符号の説明

１０ 実効値電圧算出装置
１１〜１３ 変圧器（降圧手段）
２０ マイコン
２１ Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ変換手段）
２２ 出力電圧検出手段
２３ 実効値電圧算出手段
２４ 平均実効値電圧算出手段
２５ 移動平均実効値電圧算出手段（移動平均値算出手段）
２６ 記憶手段
２６ａ メモリ
Ｕ，Ｖ，Ｗ 発電機電機子巻線

Claims (4)

1. 発電機の出力電圧の瞬時値を所望の割合に降圧する降圧手段と、
   前記降圧手段により降圧した前記発電機の出力電圧の瞬時値のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
   前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された前記発電機の第１出力電圧の瞬時値を検出する第１出力電圧検出手段と、
   前記第１出力電圧の瞬時値に対して位相差が１２０度であり、前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された第２出力電圧の瞬時値を検出する第２出力電圧検出手段と、
   前記第１出力電圧の瞬時値と前記第２出力電圧の瞬時値とから、式（１）の演算を行うことにより前記発電機の実効値電圧を算出する実効値電圧算出手段と、
   を備えることを特徴とする実効値電圧算出装置。
   Ｅ＝｛２（Ｖ_a ²＋Ｖ_aＶ_b＋Ｖ_b ²）／３｝^1/2 （１）
   Ｅ：実効値電圧
   Ｖ_a：第１出力電圧の瞬時値
   Ｖ_b：第２出力電圧の瞬時値
2. 発電機の出力電圧の瞬時値を所望の割合に降圧する降圧手段と、
   前記降圧手段により降圧した前記発電機の出力電圧の瞬時値のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
   前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された前記発電機の第１出力電圧の瞬時値を検出する第１出力電圧検出手段と、
   前記第１出力電圧の瞬時値に対して位相差が１２０度であり、前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された第２出力電圧の瞬時値を検出する第２出力電圧検出手段と、
   前記第２出力電圧の瞬時値に対して位相差が１２０度であり、前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル信号に変換された第３出力電圧の瞬時値を検出する第３出力電圧検出手段と、
   前記第１出力電圧の瞬時値と前記第２出力電圧の瞬時値とから算出される第１実効値電圧と、前記第２出力電圧の瞬時値と前記第３出力電圧の瞬時値とから算出される第２実効値電圧と、前記第３出力電圧の瞬時値と前記第１出力電圧の瞬時値とから算出される第３実効値電圧とを用いて、式（２）の演算を行うことにより前記発電機の平均実効値電圧を算出する平均実効値電圧算出手段と、
   を備えることを特徴とする実効値電圧算出装置。
   Ｅ_m＝（Ｅ₁＋Ｅ₂＋Ｅ₃）／３ （２）
   Ｅ_m：平均実効値電圧
   Ｅ₁：第１実効値電圧
   Ｅ₂：第２実効値電圧
   Ｅ₃：第３実効値電圧
3. 前記実効値電圧算出手段により前記実効値電圧が算出されるごとに、前記実効値電圧の最新値から所定個数遡った一群の実効値電圧の時系列データを格納するメモリと、
   前記実効値電圧を随時読みとり、この読みとられた実効値電圧のデータで、前記メモリに格納されていた時系列データの中の最古のデータを置換した上で、前記実効値電圧の時系列データから移動平均値を算出する移動平均値算出手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の実効値電圧算出装置。
4. 前記平均実効値電圧算出手段により前記平均実効値電圧が算出されるごとに、前記平均実効値電圧の最新値から所定個数遡った一群の平均実効値電圧の時系列データを格納するメモリと、
   前記平均実効値電圧を随時読みとり、この読みとられた平均実効値電圧のデータで、前記メモリに格納されていた時系列データの中の最古のデータを置換した上で、前記平均実効値電圧の時系列データから移動平均値を算出する移動平均値算出手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の実効値電圧算出装置。

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