JP2021064988A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の小型化を阻害することなく、回生エネルギーの流入による直流バス電圧の上昇を抑制し、過電圧を防止することを目的とする。【解決手段】モータ２に交流電力を供給するモータ駆動用インバータ３に対して直流電力を供給する直流バスに、直流電力変換部１が直流電力を供給する。直流電力変換部１は、直流バス４の一方の電路４１に直列に接続されたスイッチ１３１とこれを制御するオンオフ制御部１３２を有する。オンオフ制御部１３２は、モータ２の回生動作に先立つ回生動作予告信号Ｓｐを受けて、スイッチ１３１をオフすることにより、直有バス電圧Ｖｂを低下させておく。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来のサーボモータのドライバは、商用電源を受電し、サーボモータの回転数に合せた周波数の交流電力に変換してサーボモータに給電していた。
この方式では、それぞれのサーボモータとドライバを三相線でつなぐため、配線が複雑になっていた。また、ドライバとサーボモータを接続する動力線に大電流を流すため、配線が太くなり取り回しが悪く、動力線に流れる電流によってノイズが発生していた。さらに、多くのドライバでダイオード整流器が使用されているため、サーボモータから回生した電力を抵抗で熱に変換し廃電していた。
これらの課題を解決するために、サーボモータに一体化したドライバにＤＣ給電するシステムが検討及び製品化されている。

交流電力を直流電力に変換する直流電力変換部と、サーボモータ駆動用インバータとを直流バスで接続するモータ駆動システムでは、直流電力変換部の出力側に平滑コンデンサを並列に接続している。サーボモータの回生エネルギーがこの平滑コンデンサに流入すると、直流バス電圧が上昇し、平滑コンデンサに過電圧が印加される可能性がある。このため、平滑コンデンサの容量を大きくして、直流バス電圧の上昇を抑制していた。また、直流バス電圧が所定の閾値より高くなった場合に、平滑コンデンサに並列に接続された回生抵抗で回生エネルギーを消費することにより、平滑コンデンサに過電圧が印加されることを抑制していた。

そのため、直流バスに直流電力を供給する電力変換装置の小型化が阻害されるという不都合が生じる場合があった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、電力変換装置の小型化を阻害することなく、回生エネルギーの流入による直流バス電圧の上昇を抑制し、過電圧を防止することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、
モータを駆動するための交流電力に直流電力を変換するインバータに前記直流電力を入力する直流バスに接続され、該直流バスに直流電力を供給する電力変換装置であって、
前記直流バスの電圧を、前記モータの回生動作に先立つタイミングで低下させる直流バス電圧制御部を備えたことを特徴とする電力変換装置である。

本発明によれば、モータの回生動作に先立つタイミングで、直流変換装置の直流バス電圧制御部により直流バスの電圧を低下させているので、直流バスに流入する回生電流よる直流バスの電圧の上昇を防止することが可能である。また、直流バスに回生電流を吸収するために電解容量コンデンサ等の大型の素子を使用する必要がないので、電力変換装置の小型化を阻害することもない。
モータの回生動作に先立って直流バスの電圧を低下させるタイミングを、回生動作に対して先行させる時間を、モータの回生動作によって変更するようにしてもよい。また、回生動作の予測は、モータを制御する上位の制御装置からの情報によって行ってもよいし、
直流バスの電圧に基づいて行ってもよい。

また、本発明においては、前記直流バス電圧制御部は、
前記直流バスに含まれる一対の電路の一方の電路に直列に接続され、該一方の電路を断続するスイッチと、
前記スイッチの前記インバータ側において、前記一対の電路に並列に接続されたコンデンサと、
前記スイッチを制御するスイッチ制御部と、
を備えるようにしてもよい。

このようなスイッチとしては、リレーや半導体スイッチを用いることができる。

また、本発明においては、前記直流バス電圧制御部は、
直流電力を、前記直流バスに供給する直流電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータを含むようにしてもよい。

また、本発明においては、前記直流バス電圧制御部は、
前記モータの回生動作に先立って低下された直流バスの電圧を、該回生動作後に復帰させるようにしてもよい。

このようにすれば、電源のインピーダンスや電力変換部の内部インピーダンスによる直流バスへの電力供給の遅れによる直流バス電圧の瞬時低下を防止することができる。

また、本発明においては、前記直流バス電圧制御部は、
前記モータの回生動作を指示する回生動作信号に基づき、該モータの回生動作に先立って入力される回生予告信号を受けて、前記直流バスの電圧を低下させるようにしてもよい。

より上位の制御装置がモータに対して回生動作を指示するための回生動作信号を出力するので、この回生動作信号に基づいて、回生動作に先立つタイミングで直流バスの電圧を低下させるためのトリガとなる回生予告信号を生成することができる。直流バス電圧制御部は、この回生予告信号を受けて、直流バスの電圧を低下させることにより、モータの回生動作に先立って、直流バスの電圧を低下させることができる。

また、本発明においては、
前記電力変換装置に接続された直流バスは分岐して、複数の前記モータをそれぞれ駆動する複数のインバータに並列に接続される電路を含み、
前記直流バス電圧制御部は、
前記回生動作が重複する前記モータの数に応じて、前記直流バスの電圧を低下させるタイミングを変更するようにしてもよい。

直流バスに並列に複数のモータ及び複数のインバータが接続されている構成では、各モータで力行動作及び回生動作のタイミングが異なる。このため、複数のモータの回生動作が重複すると直流バスに流入する回生電流による電圧上昇が大きくなるので、直流バスの電圧を低下させるタイミングを、回生動作時により先立つタイミングに変更することにより、回生動作時の直流バスの電圧をより低くしてことができるので、回生動作時の直流バスの電圧のピーク値を抑制することができる。

また、本発明においては、前記直流バス電圧制御部は、
複数の前記モータの回生動作を指示する回生動作信号に基づき、該モータの回生動作に
先立って入力される回生予告信号を受けて、前記直流バスの電圧を低下させるようにしてもよい。

より上位の制御装置が各モータに対して回生動作を指示するための回生動作信号を出力するので、この回生動作信号に基づいて、回生動作に先立つタイミングで直流バスの電圧を低下させるためのトリガとなる回生予告信号を生成することができる。直流バス電圧制御部は、この回生予告信号を受けて、直流バスの電圧を低下させることにより、モータの回生動作に先立って、直流バスの電圧を低下させることができる。

本発明によれば、電力変換装置の小型化を阻害することなく、回生エネルギーの流入による直流バスの電圧の上昇を抑制し、過電圧を防止することが可能となる。

本発明の実施例１における直流電力変換部を含むブロック図である。 本発明の実施例１における直流バス電流及び直流バス電圧の変化を示すグラフである。 本発明の実施例１における直流電力変換部を含む他のブロック図である。 本発明の実施例１における直流バス電流及び直流バス電圧の変化を示す他のグラフである。 本発明の実施例２における直流電力変換部を含むブロック図である。 本発明の実施例２における直流バス電流及び直流バス電圧の変化を示すグラフである。 本発明の実施例３における直流電力変換部を含むブロック図である。 本発明の実施例３におけるモータ電流及び直流バス電圧の変化を示すグラフである。 従来例における直流電力変換部を含むブロック図である。 従来例における直流バス電流及び直流バス電圧の変化を示すグラフである。

〔適用例〕
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。
図９は、モータ２及びモータ駆動用インバータ３が、直流バス４を介して直流電力変換部に接続される従来の構成を示すブロック図である。ここでは、直流バス４に並列に平滑コンデンサ１２及び回生抵抗が接続されている。そして、回生抵抗に直列にスイッチ７が接続されている。モータ２の回生動作に伴う入力側への回生電力の逆流によって、直流バス電圧が上昇、すなわち平滑コンデンサ１２の電圧が上昇し、その過電圧によって直流バス４の平滑コンデンサ１２や、直流電力変換部の半導体素子、モータ駆動用インバータ３の半導体素子が損傷する可能性があった。

モータ２の回生動作時の直流バス４の電流Ｉｂと電圧Ｖｂとの変化を図１０に示す。なお、図１０では、モータ２の回生時の電流の方向、すなわちモータ２側から入力側へ向かう方向を正としているので、力行動作時の電流が負となっている。
直流バス４に回生電流が流れると、直流電力変換部がダイオード整流器で構成される場合には、回生電流が平滑コンデンサ１２に流入するために直流バス電圧が上昇する。ここで、回生電流（図１０の網線で示す部分）のピーク値をＩｂ＿ｐｅａｋ、回生期間をＴｒ、直流バス電圧の上昇分をΔＶｂ、平滑コンデンサ１２の静電容量をＣ１とすると、電荷Ｑが一定であることから、次の式（１）が成り立つ。
Ｑ＝Ｃ１＊ΔＶｂ＝Ｉｂ＿ｐｅａｋ＊Ｔｒ （１）
従って、直流バス４の電圧上昇分ΔＶｂは次の式（２）で表される。
ΔＶｂ＝Ｉｂ＿ｐｅａｋ＊Ｔｒ／Ｃ１ （２）

そこで、本発明では、図１に示すように、ダイオード整流器１１と平滑コンデンサ１２の間に直流バス４の一方の電路に直列にスイッチ１３１とこのスイッチ１３１のオンオフを制御するオンオフ制御部１３２を設けている。そして、モータ２の回生動作のタイミングに関する情報を保有している上位の制御装置は、回生動作に先立つタイミングで回生予告信号を生成してオンオフ制御部１３２に出力する。この回生予告信号を受けたオンオフ制御部１３２では、スイッチ１３１をオフし、直流バス電圧を許容されるできる最小値ＶＤＣ＿ｌｏｗまで低下させておく。これにより、回生電流が平滑コンデンサ１２に流入して直流バス電圧が上昇してもそのピーク値が抑えられ、過電圧による平滑コンデンサ１２の損傷等を防止することができる。

〔実施例１〕
以下では、本発明の実施例１に係る直流電力変換部１について、図面を用いて、より詳細に説明する。

図１は、本実施例に係る直流電力変換部１の一例を示すブロック図である。図２は、直流バス電圧Ｖｂの制御のタイミングチャートである。

図１に示すモータ制御システムは、モータ２、モータ駆動用インバータ３、直流バス４、交流を直流に変換する直流電力変換部１、及び交流電源５を含む。交流電源５から供給された三相交流は、直流電力変換部１に含まれるダイオード整流器１１によって整流され直流に変換される。変換された直流電力は、直流電力変換部１とモータ駆動用インバータ３とを接続する一対の電路４１，４２を含む直流バス４を介して、モータ駆動用インバータ３に入力される。モータ駆動用インバータ３は、入力された直流電力を三相交流電力に変換し、モータ２を駆動する駆動電流を出力する。

また、直流電力変換部１は、直流バス４に並列に接続される有極性の平滑コンデンサ１２を含む。そして、直流電力変換部１は、直流電力変換部１と平滑コンデンサ１２を接続する直流バス４の一方の電路に直列にスイッチ１３１と、スイッチ１３１のオンオフを制御するオンオフ制御部１３２を含む。ここでは、直流バス電圧制御部１３は、平滑コンデンサ１２、スイッチ１３１、オンオフ制御部１３２を含んで構成される。オンオフ制御部１３２がスイッチ制御部に対応する。また、直流電力変換部１が電力変換装置に対応する。

上位の制御装置からモータ駆動用インバータ３に対して回生動作を指示する回生動作信号が入力されることにより、力行動作をしていたモータ２が回生動作に移行する。モータ２の力行動作時に直流バス４の一方の電路４１には直流電力変換部１からモータ駆動用インバータ３に向けて力行電流Ｉｂが流れるが、モータ２の回生動作時にはモータ駆動用インバータ３から直流電力変換部１に向けて回生電流（図２に網線で示す）が流れる。制御装置からオンオフ制御部１３２に対して、回生動作に先行して回生動作予告信号が入力される。力行動作時にはスイッチ１３１はオンされているが、回生動作予告信号を受けたオンオフ制御部１３２は、スイッチ１３１をオフする。スイッチ１３１がオフされると、直流バスの電圧（以下「直流バス電圧」という。）Ｖｂはダイオード整流器１１の出力電圧ＶＤＣから許容できる最小値ＶＤＣ＿ｌｏｗまで低下する。このように直流バス電圧ＶｂがＶＤＣ＿ｌｏｗまで低下した状態で、モータ２が回生動作を行い、モータ２からの回生電流が直流バス４に流れる。スイッチ１３１をオンした状態で、直流バス４に回生電流が流入すると図２の下段の実線で示すように、直流バス電圧Ｖｂは、ＶＤＣからΔＶｂ増加する。上述のように、回生電流予告信号Ｓｐを受け、回生電流動作に先立って、スイッチ
１３１がオフされていると、回生電流により直流バス電圧Ｖｂは上昇するが、直流バス電圧ＶｂはＶＤＣ＿ｌｏｗまで低下している。このため、回生電流による上昇分が同じであっても、直流バス電圧Ｖｂのピーク値、すなわちＶＤＣからの上昇分ΔＶｂ´をより低く抑えることができる。このように、直流バス電圧Ｖｂのピーク値をより低く抑えることにより、平滑コンデンサ１２等の素子に過電圧が印加させることを防止することができる。
直流バス電圧Ｖｂを低下させるタイミングをモータ２の回生動作に対して先行させる時間は、モータ２の回動動作の内容に応じて変更してもよい。

回生動作が終了すると、制御装置からオンオフ制御部１３２に対して、Ｖｂ復帰信号を出力する。Ｖｂ復帰信号を受けたオンオフ制御部１３２は、スイッチ１３１をオンすることにより、直流電力変換部は直流バス４を介してモータ駆動用インバータ３に接続される。
回生時の直流バス電圧のピーク値を抑制するためには、回生動作予告信号により、スイッチ１３１をオフして直流バス電圧を許容される最小値ＶＤＣ＿ｌｏｗに低下させればよく、Ｖｂ復帰信号により直流バス電圧をもとのＶＤＣに戻す必要はない。
しかし、図３に示すように、力行電流Ｉｂが流れると、その電流は交流電源から直流電力変換部１を通して直流バス４に電力が供給されるが、交流電源５のインピーダンスや直流電力変換部１の内部インピーダンスにより、数ｍｓ程度の電力供給の遅れが生じる。その間は、平滑コンデンサ１２から電力供給することとなるため、直流バス電圧Ｖｂの瞬時低下Ｖｄｎが生じる。よって、直流バス電圧は、定格電圧であるＶＤＣに戻しておくことが望ましい。このため、Ｖｂ復帰信号Ｓｒにより、直流バス電圧をＶＤＣに復帰させる制御を行っている。

スイッチ１３１は、直流バス４の電路を断続できるものであればよく、例えばリレー又は半導体スイッチによって構成することができるが、これらに限られない。

〔実施例２〕
以下では、本発明の実施例２に係る直流電力変換部１０について、図面を用いて、より詳細に説明する。

図５は、本実施例２に係る直流電力変換部１０の一例を示すブロック図である。図６は、直流バス電圧Ｖｂの制御のタイミングチャートである。実施例１と共通の構成については、同様の符号を用いて詳細な説明は省略する。

図５に示す直流電力変換部１０では、実施例１のスイッチ１３１に代えて、直流電力変換部１０の出力側にＰＷＭ制御のＤＣ−ＤＣコンバータ１５を設けている。ここでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５が直流バス制御部に対応する。また、直流電力変換部１０が電力変換装置に対応する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、直流電力変換部１０に接続される一方の電路４１に直列に接続されたトランジスタと、このトランジスタ１５１のモータ駆動用インバータ３側に、一対の電路４１，４２に並列に接続されたトランジスタ１５２と、これらのトランジスタ１５１，１５２を駆動するドライバ１５３を含む。トランジスタ１５１は帰還ダイオードを有するＮチャネルエンハンスメント形ＦＥＴであり、ソース端子がモータ駆動用側、ドレイン端子が直流電力変換部側に接続されている。また、トランジスタ１５２も同様に帰還ダイオードを有するＮチャネルエンハンスメント形ＦＥＴであり、ソース端子がマイナス側の電路４２、ドレイン端子が＋側の電路４１に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、このトランジスタ１５２のさらにモータ駆動用インバータ３側に、一方の電路４１にトランジスタ１５１と直列に接続されたリアクトル１５４と、一対の電路４１，４２に並列に接続された平滑コンデンサ１２を含む。ドライバ１５３にはＰＷＭ制御部１６が接続される。ＰＷＭ制御部１６は、制御装置から入力される回生動作信号及びＶｂ復
帰信号を受けて、トランジスタを駆動するＰＷＭ信号を出力する。ここでは、非絶縁降圧型コンバータを例に挙げたが、回路方式はこれに限られない。

図６のタイミングチャートに示すように、ＰＷＭ制御部１６は、回生動作予告信号Ｓｐを受けると、モータ２の力行動作時の時比率よりも低い時比率のＰＷＭ信号を出力し、Ｖｂ復帰信号Ｓｒを受けると、より高い時比率のＰＷＭ信号を出力する。このように、モータ２の回生動作による回生電流が平滑コンデンサ１２に流入する前に、回生動作予告信号Ｓｐによって、ＰＷＭ信号の時比率を力行動作時よりも小さくし、直流バス電圧Ｖｂを許容できる最小値ＶＤＣ＿ｌｏｗまで低下させておく。このように直流バス電圧ＶｂがＶＤＣ＿ｌｏｗまで低下した状態で、モータ２が回生動作を行い、モータ２からの回生電流が直流バス４に流れる。回生電流により直流バス電圧は上昇するが、直流バス電圧Ｖｂは回生動作に先行してＶＤＣ＿ｌｏｗまで低下しているため、改正電流による上昇分が同じであっても、直流バス電圧Ｖｂのピーク値ΔＶｂ´をより低く抑えることができる。このように、直流バス電圧Ｖｂのピーク値をより低く抑えることにより、平滑コンデンサ１２等の素子に過電圧が印加させることを防止することができる。
直流バス電圧Ｖｂを低下させるタイミングをモータ２の回生動作に対して先行させる時間は、モータ２の回動動作の内容に応じて変更してもよい。

〔実施例３〕
以下では、本発明の実施例３に係る直流電力変換部１００について、図面を用いて、より詳細に説明する。

図７は、本実施例３に係る直流電力変換部１００の一例を示すブロック図である。図８は、直流バスの電圧Ｖｂの制御のタイミングチャートである。実施例１と共通の構成については、同様の符号を用いて詳細な説明は省略する。

本実施例３は、一つの直流バス４に複数のモータ駆動用インバータ３１，３２，３３及びモータ２１，２２，２３が接続されている。電路４１は、平滑コンデンサ１２とモータ駆動用インバータ３１との間で、モータ駆動用インバータ３２に接続される電路４３とモータ駆動用インバータ３３に接続される電路４５に分岐している。また、電路４２も同様に、平滑コンデンサ１２とモータ駆動用インバータ３１との間で、モータ駆動用インバータ３２に接続される電路４４とモータ駆動用インバータ３３に接続される電路４６に分岐している。ここでは直流電力変換部１００が電力変換装置に対応する。
複数のモータ２１，２２，２３の力行動作及び回生動作のタイミングに関する情報は上位の制御装置が保有しているので、各モータ２１，２２，２３の動作に応じて、回生動作予告信号を回生動作に先行させるタイミングや、直流バス電圧Ｖｂを低下させる深さを調整する。

例えば、第１モータ２１の回生動作と第２モータ２２の力行動作が同じタイミングで起きる場合には、直流バス４に流れる電流は互いにキャンセルして変化しないため、直流バス電圧を変化させる必要はない。
一方、図８に示すように、第１モータ２１の回生動作と第２モータ２２の回生動作が重複するして起きたり、同じタイミングで起きたりする場合には、図７に実線で示すように、２倍の回生電流が平滑コンデンサ１２に流れ込んだり、また、図７に点線で示すように第３モータ２３のモータ駆動用インバータ３３に流れ込んだりする可能性がある。ここで、図８の１段目及び２段目はそれぞれ第１モータ電流及び第２モータ電流、第３段目は合成モータ電流を示す。第１モータ電流はモータ駆動用インバータ３１に接続された電路に流れる。このため、モータが一つの場合と同じタイミングで回生予告信号を出力した場合には、回生電流による直流バス電圧Ｖｂの上昇分もモータが一つの場合よりも大きくなる。従って、図８の４段目のグラフに実線で示すように、直流バス電圧Ｖｂのピーク値ΔＶ
ｂは抑制されるものの、十分には低下していないことがあり得る。そこで、本実施例では、図８の５段目のグラフに点線で示すように、回生予告信号Ｓｐの出力を、実線で示されるモータが一つの場合よりも、より早いタイミングに変更して出力し、直流バス電圧Ｖｂをより低い値まで下げている。このようにすれば、第１モータ及び第２モータからの回生電流が流入する場合でも、図８の４段目のグラフに点線で示すように直流バス電圧のピーク値をより低く抑えることができ、平滑コンデンサ１２等の素子に過電圧が印加されることを防止することができる。直流バス電圧Ｖｂを低下させるタイミングを各モータ２１，２２，２３の回生動作に対して先行させる時間は、各モータ２１，２２，２３の回動動作の内容に応じて変更してもよい。
本実施例では、３つのモータが並列して接続される構成について説明したが、２つのモータが並列に接続される構成についても適用できるし、４つ以上の複数のモータが並列して接続される構成についても適用できる。

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
モータ（２）を駆動するための交流電力に直流電力変換するインバータ（３）に前記直流電力を入力する直流バス（４）に接続され、該直流バス（４）に直流電力を供給する電力変換装置（１）であって、
前記直流バス（４）の電圧を、前記モータ（２）の回生動作に先立つタイミングで低下させる直流バス電圧制御部（１３，１５）を備えたことを特徴とする電力変換装置。

１，１０，１００ ：直流電力変換部
２ ：モータ
３ モータ駆動用インバータ
４ ：直流バス
１１ ：ダイオード整流器
１２ ：平滑コンデンサ
１３ ：直流バス電圧制御部
１３１ ：スイッチ
１３２ ：オンオフ制御部
１５ ：ＤＣ−ＤＣコンバータ
４１，４２，４３，４４，４５，４６ ：電路

Claims (7)

1. モータを駆動するための交流電力に直流電力を変換するインバータに前記直流電力を入力する直流バスに接続され、該直流バスに直流電力を供給する電力変換装置であって、
   前記直流バスの電圧を、前記モータの回生動作に先立つタイミングで低下させる直流バス電圧制御部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記直流バス電圧制御部は、
   前記直流バスに含まれる一対の電路の一方の電路に直列に接続され、該一方の電路を断続するスイッチと、
   前記スイッチの前記インバータ側において、前記一対の電路に並列に接続されたコンデンサと、
   前記スイッチを制御するスイッチ制御部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記直流バス電圧制御部は、
   直流電力を、前記直流バスに供給する直流電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記直流バス電圧制御部は、
   前記モータの回生動作に先立って低下された直流バスの電圧を、該回生動作後に復帰させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記直流バス電圧制御部は、
   前記モータの回生動作を指示する回生動作信号に基づき、該モータの回生動作に先立って入力される回生予告信号を受けて、前記直流バスの電圧を低下させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記電力変換装置に接続された直流バスは分岐して、複数の前記モータをそれぞれ駆動する複数の前記インバータに並列に接続される電路を含み、
   前記直流バス電圧制御部は、
   前記回生動作が重複する前記モータの数に応じて、前記直流バスの電圧を低下させるタイミングを変更することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記直流バス電圧制御部は、
   複数の前記モータの回生動作を指示する回生動作信号に基づき、該モータの回生動作に先立って入力される回生予告信号を受けて、前記直流バスの電圧を低下させることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。

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