JP2005312126A - 電気車制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御において、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る電気車制御装置を提供することである。
【解決手段】直流を交流に変換するVVVFインバータと、電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、中央指令所に設置され、前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを有し、前記車輪径補正手段は、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外から検出された速度に基づき、各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置
【選択図】図1
【解決手段】直流を交流に変換するVVVFインバータと、電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、中央指令所に設置され、前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを有し、前記車輪径補正手段は、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外から検出された速度に基づき、各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置
【選択図】図1
Description
本発明は、電気車制御装置に関する。
従来の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図6は、従来の電力変換器であるVVVFインバータにより直流電力を三相交流電力に変換し電動機を駆動する電気車制御装置の構成図である。
従来の電気車制御装置において、VVVFインバータ1では、運転台27から出力される力行指令Pまたはブレーキ指令Bにより、電流指令演算器5にて磁束電流指令IdRefとトルク電流パターンIqpを作成する。このトルク電流パターンIqPと空転・滑走制御器11から得られるトルク電流制御量ΔIqpの差をトルク電流指令IqRefとして、このトルク電流指令IqRefと電動機12に接続した速度検出器16から得られる回転速度FR1,電流検出機9及び電流検出機10から得られる電動機の電流検出値iu及び電流検出値iwをベクトル制御演算器6に入力して、ここで作成した電圧指令をPWM演算器7に入力しゲート信号を生成する。PWMインバータ8ではこのゲート信号をインバータの主回路を構成するIBGTなど、自己消孤形素子に与え、パンタグラフ20からフィルタコンデンサ21を介して得られる直流電力を可変電圧可変周波数の三相交流電流電力に変換し、電動機12を駆動する。VVVFインバータ2乃至VVVFインバータ4に関しても同様に電動機17乃至電動機19を駆動する。
乗算器26では、電動機16乃至19の回転速度FR1乃至FR4と車輪径差補正量制御器23で得られた車輪径差補正係数K1乃至K4から、車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至FR_WD4を出力する。
基準速度演算器22では、車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至FR_WD4と力行回生指令P,Bを入力し、車輪径差補正量制御器23で車輪径差補正係数K1乃至K4を出力する。この車輪径差補正係数K1乃至K4に基づき、車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至FR_WD4を平均速度演算器24にて、電気車の基準速度FRTを作成する。
ここで作成された、基準速度FRT, 車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4をそれぞれVVVFインバータ1乃至 VVVFインバータ4の空転・滑走制御器11に入力する。空転・滑走制御器11では、基準速度FRT, 車輪径差を補正した回転速度FR_WD1,トルク電流パターンIqp,力行・ブレーキ指令P,Bからトルク電流制御量ΔIqpを演算する。このトルク電流制御量ΔIqpは減算器25に出力され、減算器25で、トルク電流パターンIqpからトルク電流制御量ΔIqpを減算し、IqRefを減少させることで車輪を再粘着へと向かわせる。電動機17乃至19に結合された車輪で空転・滑走が発生した場合ついても同様にVVVFインバータ2乃至4が動作し車輪を再粘着へと向かわせる(特許文献1参照)。
ところで、各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正量制御器23は、力行中、またはブレーキ中には、各車輪の回転速度に変化があるため、正しく行われない可能性があるので、各車輪の回転速度に変化が少ない惰行時に車輪径差の補正を行っている。
電動機の回転速度を速度検出器16により検出し、トルク制御を行ういわゆる速度センサ付ベクトル制御では、惰行期間でも電動機の回転速度がわかるため、惰行期間に車輪径差補正制御器を動作させれば良い。
しかし、速度検出器16は、各電動機に一台ずつ必要であるため、装置重量が重くなり、コストもかかる。
上述したような問題を解決するために、速度検出器16を使用しない、センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置が、近年考案されている。センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図7は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御を適用した場合のベクトル制御器6の構成例である。
電動機電流iu及び電動機電流iwは、座標変換器30によって、DQ軸電流Id及びDQ軸電流Iqに変換される。電圧指令器31では、励磁電流指令IdRefと励磁電流Idが、トルク電流指令IqRefとトルク電流Iqとが一致するように出力電圧指令Vd*、Vq*を演算出力する。座標変換器32では、DQ軸出力電圧指令Vd*, Vq*を三相電圧指令に変換し出力する。
誘起電圧制御器34では、DQ軸電圧指令Vd*,Vq*とDQ軸電流Id及びDQ軸電流IqとからD軸誘起電圧Edを式1に基づいて演算出力する。
Ed = Vd* - R1×Id + ω1 ×σL1 × Iq・・・式1
ここに、R1:1次抵抗、σ:漏れ係数(= 1- M×M/L1/L2)、L1:1次自己インダクタンスである。
ここに、R1:1次抵抗、σ:漏れ係数(= 1- M×M/L1/L2)、L1:1次自己インダクタンスである。
インバータ出力周波数制御器35では、入力であるD軸誘起電圧Edが零となるようにインバータ出力周波数基準ω1*を式2に基づいて制御出力する。
ω1* = - (Kp + Ki / s ) Ed・・・式2
ここに、Kp:比例ゲイン、Ki:積分ゲイン、s:ラプラス演算子である。
ここに、Kp:比例ゲイン、Ki:積分ゲイン、s:ラプラス演算子である。
積分器33では、インバータ出力周波数ω1を積分し、座標変換器30,32で用いる(静止座標系の基準軸A軸に対する)D軸の位相角θを生成出力する。
以上により速度検出器を用いずにインバータの出力周波数および出力電圧を制御し、電動機のトルクを制御することができる。すべり周波数制御器36では、磁束電流指令IdRef,とトルク電流指令IqRefからすべり周波数基準ωs*を式3に基づいて演算する
ωs *= R2/L2 × IqRef / IdRef・・・式3
ここに、R2:2次時定数、L2:2次自己インダクタンスである。
ωs *= R2/L2 × IqRef / IdRef・・・式3
ここに、R2:2次時定数、L2:2次自己インダクタンスである。
数2により演算されたインバータ周波数基準ω1*からすべり周波数基準ωs*を減算器37にて減算し電動機の回転速度をFRHを式4に基づいて推定することができる。
FRH =ω1*―ωs *・・・・式4
この回転速度推定値FRHを空転・滑走再粘着制御用として用いる。
この回転速度推定値FRHを空転・滑走再粘着制御用として用いる。
また、力行指令あるいはブレーキ指令によってインバータを始動する場合、電気的また機械的に安定でスムーズな始動とするため、インバータ出力周波数を回転速度すなわちロータ周波数に一致させて始動する必要がある。速度センサ付ベクトル制御では、速度検出器の回転速度により、インバータ出力周波数をロータ周波数に一致にさせて始動する。
一方、速度センサレスベクトル制御では、図7で説明のように電動機の磁束あるいは誘起電圧に基づき回転速度すなわちロータ周波数を推定するため、ゲート信号を停止し電動機への励磁を行わない惰行中は速度を推定することができない。このため、インバータを始動した直後に、通常運転時の回転速度推定方式とは異なる概略のロータ周波数を推定するための制御モードが設けられる。このような概略速度の推定方法については、特許文献2などに記載がある。
このように構成されたセンサレスベクトル制御を行う電気車制御装置は、速度検出器16がなくても、電動機の回転速度を推定することが出来た。
特開2001-145207号公報
特開2000-253506号公報
しかし、速度センサレスベクトル制御では、惰行中やインバータの始動直後で概略速度推定が完了するまでは、速度を把握することはできないので、従来の電気車制御装置で惰行時にロータ周波数をもとに行っていた車輪径差補正が、速度センサレスベクトル制御の場合は出来ない。車輪径補正を適宜行わないと、空転や滑走を誤検出し、加減速度の低下を招く可能性がある。
そこで、本発明は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御において、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る電気車制御装置を提供することである。
上記課題は、センサレスベクトル制御方式により制御され、直流を交流に変換するVVVFインバータと、前記電動機により駆動される各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを備えたことによって達成することができる。
上記課題は、直流を交流に変換するVVVFインバータと、電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、前記電動機により駆動される各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを有し、前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段は、前記ベクトル制御演算部から得られた推定速度に基づき、各車輪径差補正することによって達成することができる。
上記課題は、直流を交流に変換するVVVFインバータと、電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段は、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外から検出された速度に基づき、各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置によって達成することができる。
本発明により、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る電気車制御装置を提供することができる。
(第1の実施の形態)
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図1は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図2は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置における車輪径補正演算器23の構成図である。図3は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置における車輪径差補正可否判定器57における詳細の構成を示したものである。図6及び図7に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図1は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図2は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置における車輪径補正演算器23の構成図である。図3は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置における車輪径差補正可否判定器57における詳細の構成を示したものである。図6及び図7に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置は、回転速度を検出することなく電気車の電動機を駆動する速度センサレスベクトル制御を適用し、1台のVVVFインバータで1台の電動機を駆動する駆動ユニットを4つ備えている。
本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置において、ベクトル制御器6の出力である回転速度推定値FRH1は、乗算器26に入力される。乗算器26では、回転速度推定値FRHと基準速度演算器22で得られた車輪径差補正係数k1をそれぞれ乗算し、各車輪の車輪径差を補正した回転速度FR_WD1を出力する。同様にVVVFインバータ2乃至VVVFインバータ4でも回転速度FR_WD2乃至回転速度FR_WD4を演算出力する。
このように構成された電気車制御装置において、乗算器26の出力である車輪径差を補正した電動機の回転速度FR_WD1乃至FR_WD4は、平均演算器56に入力される。平均演算器56では、電動機の回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4の平均値を選択出力する。車輪径差補正可否判定器57では、電動機の回転速度の平均値と力行回生指令P,Bから車輪径差補正可否を判定し、車輪径差補正可と判定した場合、“1”を出力する。
減算器40乃至減算器43では、平均演算器56からの入力である回転速度平均値と各電動機の回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4の差分を、ΔFR1乃至ΔFR4としてそれぞれ出力し、積分器44乃至積分器47に入力する。積分器44乃至積分器47では、車輪径差補正可否判定器57から入力が“1”のとき車輪径差補正可とみなし、減算器40乃至減算器43から入力であるΔFR1乃至ΔFR4を積分し出力する。リミッタ48乃至リミッタ51では、上限値、下限値をリミットするものであって、積分器44乃至積分器48から入力が有り得ない値になるのを防止する。
加算器52乃至55では、リミッタ48乃至51からの入力に100%(係数1)を加算し、車輪径差補正係数k1乃至k4を出力する。
比較器60では、電動機の回転速度FR_WD1をあらかじめ設定した所定の速度FR_Cmpと比較し、FR_WD1がFR_Cmp以上のとき“1”を出力する。ワンショット信号生成器61では力行回生指令P,Bの立ち上がりで所定時間“1”を出力する。比較器60の出力とワンショット生成器61の出力のAND条件を論理積62で生成し、車輪径差補正可否判定結果として出力する。車輪径差補正可否判定結果が“1”のとき車輪径差補正可とみなす。
このように構成された電気車制御装置は、力行指令投入後、またはブレーキ指令投入後の所定時間でかつ回転速度が所定速度以上のとき車輪径差補正を行う。通常、VVVFインバータの起動時は、乗り心地が悪くならないように徐々にトルク電流指令を上昇させる。この期間に車輪径差補正を行えば、トルク電流指令の上昇後に行うよりも速度変動が小さく、演算誤差の少ない車輪径差補正係数が演算できる。
VVVFインバータが起動するときはトルク電流指令を徐々に上昇させているが、VVVFインバータが停止するときは起動時と逆にトルク電流指令を徐々に下降させる。したがってVVVFインバータの停止直前で行うようにしても同等な効果が得られる。
さらに、電気車が惰行しているとき、トルク電流0でVVVFインバータのゲート信号を出力する期間を設けることで電動機の回転速度を推定し、これに基づき車輪径差補正係数を演算することでより、より精度を高くすることができる。
このように構成された電気車制御装置は、ゲート信号を停止している惰行中には速度を推定することができない速度センサレスベクトル制御を適用した場合においても速度センサ付ベクトル制御とほぼ同等の、車輪径差を補正した電動機の回転速度を算出することが可能となり、空転や滑走を誤検出することなく適切な空転滑走再粘着制御が可能となる。
このように構成された電気車制御装置は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御において、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る。
尚、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置では、1台のVVVFインバータで1台の電動機を駆動する駆動ユニットを4つ備えているが、VVVFインバータ1台で制御する電動機の台数は複数でもよく、また、駆動ユニットの数も4台である必要はなく、基準速度演算器は電動機の台数だけ回転速度の入力部,車輪径差補正係数の出力部を備えれば良いことは言うまでもない。また、電動機の回転速度としては、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外からの検出された速度を用いて各車輪の車輪径差を補正しても良い。
(第2の実施の形態)
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図1は、本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図1乃至図3に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図1は、本発明に基づく第4の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図1乃至図3に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置は、本発明に基づく第1の実施の形態の電気車制御装置図と、運転台27からVVVFインバータ1乃至VVVFインバータ4に送る力行回生指令P,BとVVVFインバータ1乃至VVVFインバータ4と基準速度演算器22の間でやり取りされる回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4、車輪径差補正係数k1乃至車輪径差補正係数k4、及び基準速度FRTをシリアル通信化したところが異なる。
本発明に基づく第2の実施の形態の電気車制御装置において、運転台27からの力行・ブレーキ指令P,Bはシリアル通信変換器70に入力され、シリアル通信変換器70乃至シリアル通信変換器74を介してVVVFインバータ1乃至VVVFインバータ4に送られる。また、電動機12乃至電動機15の回転速度FR_WD1乃至回転速度FR_WD4はそれぞれシリアル通信変換器71乃至シリアル通信変換器74に入力され、シリアル通信変換器70を介して基準速度演算器22に出力される。基準速度演算器22では第1の実施の形態の電気車制御装置の場合と同様に車輪径差補正係数k1乃至車輪径差補正係数k4と基準速度FRT演算し、シリアル通信変換器70を介してシリアル通信変換器71乃至シリアル通信変換器74へそれぞれ出力する。VVVFインバータ1乃至VVVFインバータ4ではシリアル通信変換器71乃至シリアル通信変換器74から入力された力行・ブレーキ指令P,B,基準速度FRT,車輪径差補正係数k1乃至車輪径差補正係数k4に基づき電動機12乃至電動機15をそれぞれ制御する。
このように構成された電気車制御装置によれば、各VVVFインバータと基準速度演算器の間の速度情報のやりとりをシリアル通信化(伝送線路により伝達)することで、システム全体として信号線の削減が図れる他、1台のVVVFインバータが制御する電動機の台数が増加してもシステムの拡張が容易になるという効果が得られる。
このように構成された電気車制御装置は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御において、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る。
(第3の実施の形態)
本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図5は、本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図1乃至図4に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置について、図を参照し詳細に説明する。図5は、本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置のブロック図である。図1乃至図4に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。
本発明に基づく第3の実施の形態の電気車制御装置は、基準速度演算器22を中央指令所26に設置している。
このように構成された電気車制御装置は、基準速度演算器22を中央指令所に設置する構成となっているため、第1の実施例に比べ、電気車制御装置を小型化することができる。また電気車制御装置の一部を中央指令所26に統括しておくことで鉄道システム全体のコストも低減ができる。
このように構成された電気車制御装置は、電動機の回転速度を検出することなく電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御において、各車輪の車輪径差を適切に補正をすることが出来る。
1 VVVFインバータ
2 VVVFインバータ
3 VVVFインバータ
4 VVVFインバータ
5 電流指令演算器
6 ベクトル制御演算器
7 PWM信号演算器
8 PWMインバータ
9 電流検出器
10 電流検出器
11 空転・滑走制御器
12 電動機
13 電動機
14 電動機
15 電動機
16 速度検出器
17 速度検出器
18 速度検出器
19 速度検出器
20 パンタグラフ
21 フィルタコンデンサ
22 基準速度器
23 車輪径差補正量制御器
24 平均速度演算器
25 減算器
26 乗算器
27 運転台
30 座標変換器
31 電圧指令演算器
32 座標変換器
33 積分器
34 誘起電圧制御器
35 インバータ出力周波数制御器
36 すべり周波数制御器
37 減算器
40 減算器
41 減算器
42 減算器
43 減算器
44 積分器
45 積分器
46 積分器
47 積分器
48 リミッタ
49 リミッタ
50 リミッタ
51 リミッタ
52 加算器
53 加算器
54 加算器
55 加算器
56 平均演算器
57 車輪径差補正可否判定器
60 比較器
61 ワンショット信号生成器
62 論理積
70 シリアル通信変換器
71 シリアル通信変換器
72 シリアル通信変換器
73 シリアル通信変換器
74 シリアル通信変換器
2 VVVFインバータ
3 VVVFインバータ
4 VVVFインバータ
5 電流指令演算器
6 ベクトル制御演算器
7 PWM信号演算器
8 PWMインバータ
9 電流検出器
10 電流検出器
11 空転・滑走制御器
12 電動機
13 電動機
14 電動機
15 電動機
16 速度検出器
17 速度検出器
18 速度検出器
19 速度検出器
20 パンタグラフ
21 フィルタコンデンサ
22 基準速度器
23 車輪径差補正量制御器
24 平均速度演算器
25 減算器
26 乗算器
27 運転台
30 座標変換器
31 電圧指令演算器
32 座標変換器
33 積分器
34 誘起電圧制御器
35 インバータ出力周波数制御器
36 すべり周波数制御器
37 減算器
40 減算器
41 減算器
42 減算器
43 減算器
44 積分器
45 積分器
46 積分器
47 積分器
48 リミッタ
49 リミッタ
50 リミッタ
51 リミッタ
52 加算器
53 加算器
54 加算器
55 加算器
56 平均演算器
57 車輪径差補正可否判定器
60 比較器
61 ワンショット信号生成器
62 論理積
70 シリアル通信変換器
71 シリアル通信変換器
72 シリアル通信変換器
73 シリアル通信変換器
74 シリアル通信変換器
Claims (10)
- センサレスベクトル制御方式により制御され、直流を交流に変換するVVVFインバータと、
電動機により駆動される各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを備えたことを特徴とする電気車制御装置。 - 直流を交流に変換するVVVFインバータと、
電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、
前記電動機により駆動される各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段とを有し、
前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段は、前記ベクトル制御演算部から得られた推定速度に基づき、各車輪径差補正することを特徴とした電気車制御装置。 - 直流を交流に変換するVVVFインバータと、
電動機の回転速度を推定し、前記インバータを制御するベクトル制御演算部と、
前記各車輪の車輪径差を補正する車輪径補正手段は、電気車編成内の速度計、ブレーキ装置、保安機器等の電気車制御装置以外から検出された速度に基づき、各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置。 - 前記請求項1乃至請求項3に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径補正手段は、前記VVVFインバータのゲート信号を出力した直後に車輪径差の補正を行うことを特徴とした電気車制御装置。 - 前記請求項1乃至請求項3に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径補正手段は、前記VVVFインバータのゲート信号を停止する直前に車輪径差の補正を行うことを特徴とした電気車制御装置。 - 前記請求項1乃至請求項3に記載の電気車制御装置において、
前記ベクトル制御演算部は、所定値より小さいトルク出力で所定時間前記VVVFインバータのゲート信号を前記VVVFインバータに出力し、
前記ベクトル制御演算部が所定値より小さいトルクを出力している間に、前記車輪径補正手段は、前記各車輪の車輪径差を補正することを特徴とした電気車制御装置。 - 前記請求項1乃至請求項3に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径補正手段は、前記電動機の回転速度が所定速度以上の高速領域でのみ車輪径差の補正を行うことを特徴とした電気車制御装置。 - 前記請求項1乃至請求項3に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径差補正手段に得られた情報は、伝送線路により伝達することを特徴とした電気車制御装置。 - 前記請求項1乃至請求項3に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径差補正手段は、中央指令所設けられていることを特徴した電気車制御装置。 - 前記請求項1乃至請求項3に記載の電気車制御装置において、
前記車輪径差補正手段は、前記ベクトル制御演算部により、電動機の回転速度の推定が完了までは前記各車輪の車輪径差を補正しないことを特徴とする電気車制御装置。
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