JP2006149021A - 直流電源装置およびこれを用いた圧縮機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源装置およびこれを用いた圧縮機駆動装置において、負荷変動による高調波電流の変動を押さえることで高調波低減用リアクトルの小型化と低損失化を図ること。
【解決手段】交流電源１と、ブリッジ整流回路６と、平滑用の電解コンデンサ７と、負荷８と、交流電源１に接続されたリアクトル９と、リアクトル９に流れる電流をオン、オフするスイッチ１０と、電源電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段１１と、直流電圧検出手段１３と、目標直流電圧決定手段１４と、スイッチ駆動信号生成手段１５と、スイッチ駆動手段１６とを備えた直流電源装置において、負荷電力の変動に応じて最適な直流電圧の目標値を目標直流電圧決定手段１４によって決定することにより、高調波電流の変動を押さえることが可能となり、リアクトル９の小型化と低損失化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流を直流に変換するとともに交流電源に流れる高調波電流を低減し、力率の改善を図る直流電源装置とその直流電源装置を用いた圧縮機駆動装置に関するものである。

昨今、電子機器の入力電流に含まれる電源周波数の整数倍の電流成分であるいわゆる高調波電流の悪影響が大きくクローズアップされてきている。悪影響としては例えば受電設備の進相コンデンサの焼損、モーターなどの回転機の加熱や異常振動、電子機器の誤動作などである。

そこで、電子機器などから発生するこれらの高調波電流の上限値を電源周波数の整数倍の各次数ごとにその影響度などを考慮して、適切な重み付けを行い上限値を定めて規制することが行われている。

一方で、高調波電流低減は入力力率の改善にもつながることから様々な対応策が検討され、高調波電流低減と力率改善を両立した機器が多く商品化されるに至っている。

そして従来、数ｋＷ出力程度までの直流電源装置においては、１個ないしは２個のスイッチを用いて、そのスイッチを交流電源の半周期に１度ないしは数度動作させることで交流電源の高調波電流を高調波電流規制値内に押さえるとともに力率を改善し、交流入力を直流出力に変換する方式が取られてきた。

例えば従来の直流電源装置としては、ブリッジ整流回路と、リアクトルと、スイッチと、逆流防止ダイオードの組み合わせから構成されたもの（例えば特許文献１参照）がある。

以下、図面を参照しながら従来の直流電源装置について図１１と図１２を用いて説明する。

図１１は特許文献１の実施例１１に記載されている従来の直流電源装置の回路図を示している。

交流電源１は単相の商用交流電源であり、ブリッジ整流回路６は４個のダイオード２から５で構成されている。

リアクトル９はブリッジ整流回路６の正極出力６ｃとスイッチ１０および逆流防止用ダイオード２３のアノード端子に接続され、電解コンデンサ７は逆流防止用ダイオード２３のカソード端子に接続されて直流電圧を平滑し、負荷８に脈動の小さな直流電圧を供給する。

そして、スイッチ制御回路２４はスイッチ１０の可変オンタイミング発生回路２５と、オフタイミング発生回路２６と、スイッチ駆動回路２７および電解コンデンサ７の電圧を検出する直流電圧検出手段１３とから構成されている。

次に、このように構成された直流電源装置についてその動作を説明する。可変オンタイミング発生回路２５は交流電源１の電源電圧と同期し、かつ、直流電圧検出手段１３によ
って検出された直流電圧に応じてスイッチ１０を駆動するための信号をスイッチ駆動回路２７を介して送出する。そして、スイッチ１０が閉じると交流電源１にはリアクトル９と、ブリッジ整流回路６を介して短絡電流が流れ始め、次第に増加する。

次いで、電源電圧に同期してオフタイミング発生回路２６からスイッチ１０を停止するための信号がスイッチ駆動回路２７を介して送出されるとスイッチ１０は開放され、それまでリアクトル９を流れていた短絡電流は逆流防止用ダイオード２３を介して電解コンデンサ７の充電電流となって減少し始める。

その後、交流電源１の電源電圧がピーク電圧付近になると交流電源１からブリッジ整流回路６、リアクトル９、逆流防止ダイオード２３を通して電解コンデンサ７に充電電流が流れることとなる。

このときの交流電源１の電源電圧Ｖｉと、交流電源１の低負荷時入力電流Ｉ１および高負荷時入力電流Ｉ２を図１２に示す。

同図においてわかるように、低負荷時は高負荷時に比べて可変オンタイミング発生回路２５からのオンタイミングの信号が遅れるように制御している。

そして、このように制御することによって直流電圧は所定の値を維持できるとともに交流電源１からの入力電流は通流角度が広がり、高調波電流低減と力率改善が実現されている。
特開平７−７９４６号公報

しかしながら、前記従来の直流電源装置は負荷の変動にかかわらず直流電圧が所定の値を維持できるようにスイッチの動作が制御されているものであり、負荷と直流電圧との関係に応じて入力電流に含まれる高調波電流の値が変動することについては考慮されていない。

この負荷と直流電圧、高調波電流の関係を最も高調波電流発生量の多い第３高調波電流と第５高調波電流について図１３を用いて説明すると、まず、第３高調波電流については負荷電力に応じてその電流値は増えるが直流電圧が高ければ相対的に電流値は小さくなる傾向にある。

これに対して、第５高調波電流は負荷電力がある点で電流値が最大となり、直流電圧が高ければ相対的にその電流値も大きくなる傾向にある。

これに対して従来は、直流電圧を負荷電力に無関係に一定に制御していたため、負荷の変動に関わらず各次の高調波電流を高調波電流規制値以下とするために大きなインダクタンスを有するリアクトルを用いて高調波電流全体を低減するよう対応しており、リアクトルの損失が大きい、外形重量が大きい、負荷が大きくなった場合のリアクトルによる電圧降下が大きいなどの課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高調波低減用リアクトルの小型化と低損失化を図る直流電源装置およびこれを用いた圧縮機駆動装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は負荷電流検出手段によって検出された電流値によって負荷の大きさを判断し、それに応じて直流電圧の目標値を目標直流電圧決定手段で決定し、スイッチ駆動信号生成手段によって直流電圧がその目標値に一致するようスイッチの動作を制御するよう構成したものである。

このことによって、具体的には第３高調波電流が大きくなる負荷の領域では直流電圧を上げ、第５高調波電流が大きくなる負荷の領域では直流電圧を下げるよう制御することが可能となり、発生する各次の高調波電流の変動を押さえることができる。

このため、従来用いられてきたリアクトルに比べてインダクタンスの低い小型のリアクトルで高調波電流規制に対応でき、リアクトルの小型化、低損失化が可能となるとともにリアクトルの電圧降下に対しても有利な効果を得ることができる。

本発明の直流電源装置は、負荷に応じて直流出力電圧の目標値を最適値に設定することによりインダクタンスの小さなリアクトルで負荷の変動による高調波電流の変動を押さえることができ、リアクトルの小型化、低損失化が可能となる。

請求項１に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源からの交流を全波整流する４個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の出力を平滑する電解コンデンサと、前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の２つの交流入力端子のどちらか一方との間に接続されたリアクトルと、前記ブリッジ整流回路の２つの交流入力端子のどちらかに一方の端子を接続するコンデンサと、前記コンデンサの他方の端子と前記ブリッジ整流回路の正出力端子または負出力端子との間に接続されたスイッチと、前記交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記電解コンデンサの両端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、負荷電力に応じて直流電圧の目標値を決定する目標直流電圧決定手段と、前記スイッチを駆動する駆動信号を発生するスイッチ駆動信号生成手段と、前記スイッチを駆動するスイッチ駆動手段とを備えたことにより、負荷電力の変動に応じて直流電圧の目標値を高調波電流低減のための最適な値に設定することができ、リアクトルの小型化、低損失化が可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明について負荷電力を電解コンデンサから出力される直流電流を検出する直流電流検出手段により求めるよう構成したことにより、負荷電力が変動しても前記直流電流検出手段の検出値に応じて直流電圧目標値を高調波電流低減のために最適な値に設定することができ、リアクトルの小型化、低損失化が可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明について負荷電力を交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出手段により求めるよう構成したことにより、負荷電力が変動しても前記入力電流検出手段の検出値に応じて直流電圧目標値を高調波電流低減のために最適な値に設定することができ、リアクトルの小型化、低損失化が可能となる。

請求項４に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源からの交流を全波整流する４個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の出力を平滑する電解コンデンサと、前記電解コンデンサに並列接続されたインバータ回路と、インバータ回路の出力に接続された圧縮機と、前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の２つの交流入力端子のどちらか一方との間に接続されたリアクトルと、前記ブリッジ整流回路の２つの交流入力端子のどちらかに一方の端子を接続するコンデンサと、前記コンデンサの他方の端子と前記ブリッジ整流回路の正出力端子または負出力端子との間に接続されたスイッチと
、前記交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記電解コンデンサの両端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記インバータ回路の出力電力に応じて直流電圧の目標値を決定する目標直流電圧決定手段と、前記スイッチを駆動する駆動信号を発生するスイッチ駆動信号生成手段と、前記スイッチを駆動するスイッチ駆動手段と、前記インバータ回路を制御するインバータ制御手段とを備えたことを特徴とする圧縮機駆動装置であり、前記インバータ回路の出力電力が変動しても直流電圧の目標値を高調波電流低減のために最適な値に設定することができ、リアクトルの小型化、低損失化が可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明についてインバータ回路の出力電力を電解コンデンサから出力される直流電流を検出する直流電流検出手段により求めるよう構成することで、インバータ回路の出力電力が変動しても直流電圧の目標値を高調波電流低減のために最適な値に設定することができ、リアクトルの小型化、低損失化が可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明についてインバータ回路の出力電力を圧縮機の回転数を検出する回転数検出手段により求めるよう構成することで、インバータ回路の出力電力が変動しても直流電圧の目標値を高調波電流低減のために最適な値に設定することができ、リアクトルの小型化、低損失化が可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の発明についてインバータ回路の出力電力をインバータ制御手段の回転数指令値により求めるよう構成することで、インバータ回路の出力電力が変動しても直流電圧の目標値を高調波電流低減のために最適な値に設定することができ、リアクトルの小型化、低損失化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例と同一構成については同一符号を付してその詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における直流電源装置のブロック図である。

図１において、交流電源１がブリッジ整流回路６で整流されたのち電解コンデンサ７で直流に平滑され、負荷８に直流電圧を供給する構成は従来と同様である。

そして、リアクトル９は交流電源１とブリッジ整流回路６の第１の交流入力端子６ａとの間に接続され、スイッチ１０はコンデンサ１７の一方の端子とブリッジ整流回路６の第１の交流入力端子６ａとの間に接続される。

コンデンサ１７の他方の端子はブリッジ整流回路６の負極出力端子６ｄに接続される。ゼロクロス検出手段１１は交流電源１のゼロ電圧点を検出するものであり、直流電流検出手段１２は負荷に流れる電流を、直流電圧検出手段１３は電解コンデンサ７の両端の直流電圧を検出するためのものである。

そして、目標直流電圧決定手段１４は直流電圧の目標値を決定するためのものであり、スイッチ駆動信号生成手段１５はスイッチ１０を駆動するスイッチ駆動手段１６に駆動信号を送出する。

以上の構成において、以下その動作、作用を説明する。

交流電源１から入力された電圧により、ゼロ電圧点がゼロクロス検出手段１１で検出されて、そのゼロクロスタイミング信号がスイッチ駆動信号生成手段１５に送出される。

一方、直流電流検出手段１２で検出された直流電流値は目標直流電圧決定手段１４に送出される。目標直流電圧決定手段１４では検出された直流電流値に応じて高調波電流の変化を押さえるために最適な直流電圧の値が一義的に求めることができるようにあらかじめ用意されており、その対応する値を直流電圧の目標値としてスイッチ駆動信号生成手段１５に送出する。

また、電解コンデンサ７の両端の直流電圧は直流電圧検出手段１３で検出され、その検出値もスイッチ駆動信号生成手段１５に送出される。

スイッチ駆動信号生成手段１５では、直流電圧の目標値と直流電圧の検出値が一致するようにゼロクロスタイミング信号からのスイッチ１０の駆動遅延時間とその駆動時間を計算し、スイッチ駆動手段１６に駆動信号を送出する。

次に、各部の電圧と電流の挙動について図２から図６を用いて説明する。

ここで、図２と図３は交流電源１の電源電圧Ｖｉが正の半周期の間の動作を示し、図４と図５は電源電圧Ｖｉが負の半周期の間の動作を示す。

また、図６は交流電源１の電源電圧Ｖｉとリアクトル９を流れるリアクトル電流ＩＬ、スイッチ駆動手段１６の駆動出力Ｖｇと駆動出力Ｖｇのゼロクロスからの遅れ時間Δｄ、スイッチ１０の駆動時間Δｔおよび直流電圧Ｖｄｃを示したものである。

図２はゼロクロスからの駆動遅延時間Δｄの経過後に駆動出力Ｖｇによってスイッチ１０が導通したときの状態を示している。

図２における矢印はその時の電流の流れを示したものである（以下、図３から図５でも同様に矢印で電流の流れを示すものとする）。

コンデンサ１７にはスイッチ１０の導通によりリアクトル９を介して充電が開始され、コンデンサ電流Ｉｃが流れ始める。

そして、駆動時間Δｔの経過後にスイッチ１０を開放するよう駆動出力Ｖｇを停止する。

図３は駆動時間Δｔの経過後の状態を示し、リアクトル９はスイッチ１０が開放した時点のリアクトル電流ＩＬによって蓄えられたエネルギーを放出するため、電源電圧Ｖｉと直流電圧Ｖｄｃとの差電圧を発生して電解コンデンサ７を充電するよう電流を流す。

次に、電源電圧Ｖｉが負の半周期の動作について説明する。

電源電圧Ｖｉのゼロクロスからの駆動遅れ時間Δｄの経過後に駆動出力Ｖｇによりスイッチ１０が導通した状態を図４に示す。

このとき、コンデンサ１７には直流電圧Ｖｄｃに近い電圧まで充電されているため、コンデンサ１７は放電のためのコンデンサ電流Ｉｃを流すことになる。

そして、駆動時間Δｔの経過後に駆動出力Ｖｇを停止することでスイッチ１０は開放さ
れる。

また、図５はその駆動時間の経過後、スイッチ１０が開放された状態を示している。

図５では、リアクトル９はスイッチ１０が開放された時点に流れていたリアクトル電流ＩＬによって蓄積されたエネルギーを放出するため、電源電圧Ｖｉと直流電圧Ｖｄｃの差電圧を発生して電解コンデンサ７を充電するよう電流を流し、リアクトル電流ＩＬが流れなくなると図２のスイッチ１０が投入される前の初期状態に戻る。

以上の一連の動作により、本実施の形態においてはリアクトル電流ＩＬの通流角度を大きく広げることができ、リアクトル電流ＩＬが正弦波に近づくことで高調波電流の低減と力率改善が実現できる。

また、直流電流値つまり負荷の大きさに応じた最適な直流電圧値を直流電圧の目標値として設定できるため、負荷の変動に対して高調波電流の変動を押さえることができ、リアクトル９の小型化、低損失化が可能となる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態における直流電源装置のブロック図である。

本実施の形態においては、実施の形態１の構成に対して直流電流の値を直接検出せず、入力電流検出手段１８によって入力電流を検出し、その値を目標直流電圧決定手段１４に送出するよう構成している。

そして、目標直流電圧決定手段１４はその入力電流検出値に応じて最適な目標直流電圧を決定する。

従って、直流電圧が目標値に一致するようにスイッチ１０を制御する動作については実施の形態１と同様である。

以上のことより、本実施の形態においては高調波電流の低減と力率改善が実現できる直流電源装置において、入力電流値から負荷の変動を判断し、負荷の大きさに応じて最適な直流電圧値を直流電圧の目標値として設定できるため、負荷の変動に対して高調波電流の変動を押さえることができ、リアクトル９の小型化、低損失化が可能となる。

（実施の形態３）
図８は本発明の第３の実施の形態における圧縮機駆動装置のブロック図である。

図８においては実施の形態１における直流電源装置の負荷８に代えてインバータ回路１９とインバータ制御手段２０およびインバータ回路１９によって駆動される圧縮機２１を設けた構成となっている。

本実施の形態における交流電源１の交流電力を直流に変換する動作は実施の形態１と同様であり、直流電圧が目標直流電圧決定手段１４によって決定される直流電圧目標値となるようスイッチ１０がスイッチ駆動手段１６によって駆動される。

そして、本実施例においてはインバータ回路１９に流れる電流を直流電流検出手段１２で検出することでインバータ回路１９の出力電力変動を目標直流電圧決定手段１４が判断し、負荷に応じた最適な直流電圧値を直流電圧の目標値として設定できるため、インバータ回路１９の出力電力の変動に対して高調波電流の変動を押さえることができ、リアクト
ル９の小型化、低損失化が可能となる。

（実施の形態４）
図９は本発明の第４の実施の形態における圧縮機駆動装置のブロック図である。

図９においては実施の形態３における圧縮機駆動装置のブロック図に対し、直流電流検出手段１２に代えて圧縮機２１の回転数を検出する回転数検出手段２２を設けたものである。

本実施の形態における交流電源１の交流電力を直流に変換する動作は、実施の形態１と同様であり、直流電圧が目標直流電圧決定手段１４によって決定される直流電圧の目標値となるようスイッチ１０がスイッチ駆動手段１６によって駆動される。

そして、本実施例においては圧縮機２１の回転数を回転数検出手段２２で検出することでインバータ回路１９の出力電力変動を判断し、その検出値が目標直流電圧決定手段１４に送出されるよう構成することにより目標直流電圧決定手段１４が負荷に応じた最適な直流電圧値を直流電圧の目標値として設定できるため、インバータ回路１９の出力電力変動に対して高調波電流の変動を押さえることができ、リアクトル９の小型化、低損失化が可能となる。

（実施の形態５）
図１０は本発明の第５の実施の形態における圧縮機駆動装置のブロック図である。

図１０においては実施の形態３における圧縮機駆動装置のブロック図に対し、直流電流検出手段１２を省き、インバータ制御手段２０から目標直流電圧決定手段１４に圧縮機２１の回転数指令を出力するよう構成されている点で相違する。

本実施の形態における交流電源１の交流電力を直流に変換する動作は、実施の形態１と同様であるが、インバータ制御手段２０からの圧縮機２１の回転数指令に応じてインバータ回路１９の出力電力変動を判断し、目標直流電圧決定手段１４が直流電圧の目標値を決定する点で相違する。

このように構成することで、インバータ回路１９の出力電力変動を検出する特別な手段を用いることなくインバータ回路１９の出力電力変動に対して高調波電流の変動を押さえることができ、リアクトル９の小型化、低損失化が可能となる。

以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、高調波電流を低減するとともに力率を改善できる直流電源装置として利用することができ、汎用インバータの入力段回路の用途に適用できる。また、この直流電源装置を用いた圧縮機駆動装置はエアコンまたは冷蔵庫などのコンプレッサーを用いた家電機器の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における直流電源装置のブロック図 本発明の実施の形態１の正の半周期におけるスイッチオン時の動作説明図 本発明の実施の形態１の正の半周期におけるスイッチオフ時の動作説明図 本発明の実施の形態１の負の半周期におけるスイッチオン時の動作説明図 本発明の実施の形態１の負の半周期におけるスイッチオフ時の動作説明図 本発明の実施の形態１における各部電圧電流波形図 本発明の実施の形態２における直流電源装置のブロック図 本発明の実施の形態３における圧縮機駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態４における圧縮機駆動装置のブロック図 本発明の実施の形態５における圧縮機駆動装置のブロック図 従来の直流電源装置のブロック図 従来の直流電源装置の各部電圧電流波形図 負荷電力変化による３次高調波電流と５次高調波電流の特性図

符号の説明

１ 交流電源
２、３、４、５ ダイオード
６ ブリッジ整流回路
７ 電解コンデンサ
８ 負荷
９ リアクトル
１０ スイッチ
１１ ゼロクロス検出手段
１２ 直流電流検出手段
１３ 直流電圧検出手段
１４ 目標直流電圧決定手段
１５ スイッチ駆動信号生成手段
１６ スイッチ駆動手段
１７ コンデンサ
１８ 入力電流検出手段
１９ インバータ回路
２０ インバータ制御手段
２１ 圧縮機

Claims (7)

1. 交流電源と、前記交流電源からの交流を全波整流する４個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の出力を平滑する電解コンデンサと、前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の２つの交流入力端子のどちらか一方との間に接続されたリアクトルと、前記ブリッジ整流回路の２つの交流入力端子のどちらかに一方の端子を接続するコンデンサと、前記コンデンサの他方の端子と前記ブリッジ整流回路の正出力端子または負出力端子との間に接続されたスイッチと、前記交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記電解コンデンサの両端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、負荷電力に応じて直流電圧の目標値を決定する目標直流電圧決定手段と、前記スイッチを駆動する駆動信号を発生するスイッチ駆動信号生成手段と、前記スイッチを駆動するスイッチ駆動手段とを備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. 負荷電力を電解コンデンサから出力される直流電流を検出する直流電流検出手段により求めるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 負荷電力を交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出手段により求めるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
4. 交流電源と、前記交流電源からの交流を全波整流する４個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の出力を平滑する電解コンデンサと、前記電解コンデンサに並列接続されたインバータ回路と、インバータ回路の出力に接続された圧縮機と、前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の２つの交流入力端子のどちらか一方との間に接続されたリアクトルと、前記ブリッジ整流回路の２つの交流入力端子のどちらかに一方の端子を接続するコンデンサと、前記コンデンサの他方の端子と前記ブリッジ整流回路の正出力端子または負出力端子との間に接続されたスイッチと、前記交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記電解コンデンサの両端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記インバータ回路の出力電力に応じて直流電圧の目標値を決定する目標直流電圧決定手段と、前記スイッチを駆動する駆動信号を発生するスイッチ駆動信号生成手段と、前記スイッチを駆動するスイッチ駆動手段と、前記インバータ回路を制御するインバータ制御手段とを備えたことを特徴とする圧縮機駆動装置。
5. インバータ回路の出力電力を電解コンデンサから出力される直流電流を検出する直流電流検出手段により求めるよう構成したことを特徴とする請求項４に記載の圧縮機駆動装置。
6. インバータ回路の出力電力を圧縮機の回転数を検出する回転数検出手段により求めるよう構成したことを特徴とする請求項４に記載の圧縮機駆動装置。
7. インバータ回路の出力電力をインバータ制御手段の回転数指令値により求めるよう構成したことを特徴とする請求項４に記載の圧縮機駆動装置。

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