JP4422164B2 - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器を制御して交流電動機を駆動する電力変換装置及び電力変換方法に係り、特にシステムに地絡が生じた場合において、システム異常（地絡）を精度良く、早期に検出するのに好適な電力変換装置及び電力変換方法に関する。

従来、交流電動機などを駆動するための電力変換装置として、コンバータにより交流電源の電力を直流に変換し、インバータにより直流を交流に変換する方式が用いられていた。このコンバータとインバータの間の直流回路部には接地抵抗器が接続され、前記接地抵抗器に流れる電流量がシステムに地絡が生じた場合に変化する。そこで、この電流検出値を地絡検出レベルと比較することにより地絡を検出することが行われていた（特許文献２参照）。

また、インバータの運転周波数によって漏電判定レベルを可変することにより、インバータ等が負荷に供給する主回路に設けられた零相変流器により検出された零相検出信号に基づいて漏電を検出する技術が提案されている（特許文献３参照）。

さらに、地絡検出装置の誤動作防止のため伝送系統の負荷電流が設定値を超えると検出設定値を大きくさせることにより検出感度を鈍化させる技術も提案されている（特許文献４参照）。また、地絡方向継電器において零相電流と零相電圧の組み合わせで地絡を検出する技術も提案されている（特許文献５参照）。

特開２００４−２１２３７６号公報 特開平８−３０６２９７号公報 特開平５−２６０６４１号公報 特開２０００−３４１８５１号公報

上述した特許文献２に示した従来の地絡検出回路は、接地抵抗に流れる交流電流を検出し、フィルタ処理、整流処理を行い、地絡検出レベルと前記検出信号を比較して、地絡時に接地電流に流れる交流電流が前記設定レベルを超過した時点で地絡が生じたと判定している。ここで、コンバータ、インバータを用いて電動機を駆動するシステムにおいては、電動機側や変圧器側に存在する寄生容量の影響で、地絡が生じていない通常の運転時においても、前記接地抵抗には電流が流れる。

このため、定常時にも流れる電流で誤検出しないような検出レベルを設定した場合、地絡検出感度が悪く、地絡検出可能な運転範囲も狭いものとなる。システムが電動機の加減速を繰り返す運転パターンであれば検出可能領域にて異常（地絡）を捕らえることができるが、それ以外のシステムでは、異常（地絡）検出が遅れる又は不可能となる恐れがある。

また、上述した特許文献２に示した従来の漏電検出技術では、漏電判定レベルをインバータ周波数により可変しているのみであり、システムの電動機の運転パターンに応じた地絡検出をすることができないものであった。

さらに、上述した特許文献４に示した従来の地絡検出技術では、検出感度を鈍化させるものであるため、システムの電動機の運転速度に応じて検出感度を上げることができないものである。また、上述した特許文献５に示した従来の地絡検出技術では、零相電流と零相電圧の検出は一定レベルの検出であるため、システムの電動機の運転速度に応じて運転範囲を広げることができず、検出感度を上げることができないものであった。

図１０は従来例の地絡検出範囲と地絡検出感度を示したものであり、誤検出を防止するため通常の接地電流ピーク値１０１の最大値に余裕を付加して地絡検出レベル１０２を固定値で与えている。この場合、地絡検出可能な運転範囲１０６が狭く、地絡抵抗値が大きい場合１０５に検出不可能であり地絡検出感度が悪いことがわかる。

そこで、本発明の目的は、システムに地絡が生じた場合に、システムの電動機の運転速度に応じて検出感度を上げることができ、その検出感度で検出可能な運転範囲を拡大することで、システム異常（地絡）を精度良くかつ早期に検出することができる電力変換装置及び電力変換方法を提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、交流電力を直流に変換するコンバータと、コンバータが出力する直流電力を所望の周波数の交流電力に変換して電動機に供給するインバータとを有する電力変換装置において、コンバータとインバータの間の直流回路部を接地する接地抵抗器と、接地抵抗器に流れる電流を検出する電流検出器と、電動機の運転速度を検出する速度検出器と、運転速度に応じて地絡検出レベルを可変する地絡検出レベル可変部と、地絡検出レベル可変部が出力する検出レベルと接地抵抗器に流れる電流検出値を比較する比較部と、比較部の比較出力により地絡検出を判定する地絡判定部とを含む地絡検出装置と、運転速度に応じたインバータ電圧指令値を算出するインバータ電圧指令値算出部と、運転速度に基づいて、零相成分をインバータ電圧指令値に合成するか否かを決定し、インバータ電圧指令値に零相成分を合成する際には零相成分を合成する量を調節する零相成分可変部と、零相成分可変部で調節された零相成分をインバータ出力電圧指令に合成して新たなインバータ出力電圧指令とする零相成分加算部とを備え、電動機の通常運転時に接地抵抗器に流れる電流検出値が小さくなるべく、インバータの出力電圧がインバータ出力電圧指令に対応する電圧に一致するように制御するインバータ制御装置とを備えたものである。

また、本発明の電力変換方法は、交流電力を直流に変換するコンバータと、コンバータが出力する直流電力を所望の周波数の交流電力に変換して電動機に供給するインバータとを有する電力変換装置における電力変換方法であって、コンバータとインバータの間の直流回路部を接地する接地抵抗器に流れる電流を検出する電流検出ステップと、電動機の運転速度を検出する速度検出ステップと、運転速度に応じて地絡検出レベルを可変し、可変した検出レベルと接地抵抗器に流れる電流検出値を比較し、比較出力により地絡検出を判定する地絡検出ステップと、運転速度に応じたインバータ電圧指令値を算出し、運転速度に基づいて、零相成分をインバータ電圧指令値に合成するか否かを決定し、インバータ電圧指令値に零相成分を合成する際には零相成分を合成する量を調節し、調節した零相成分をインバータ出力電圧指令に合成して新たなインバータ出力電圧指令とし、電動機の通常運転時に接地抵抗器に流れる電流検出値が小さくなるべく、インバータの出力電圧がインバータ出力電圧指令に対応する電圧に一致するように制御するインバータ制御ステップとを含むものである。

本発明により、運転範囲における外乱電流（例えば、インバータのスイッチングによるリプル成分と３次調波重畳による零相成分）のレベルに応じて地絡検出レベルを可変することができる。また、３次調波重畳を出力電圧が高い電動機の運転領域でのみ行うことで、３次調波重畳に伴う外乱電流成分を低減させ、低減した外乱電流レベルに応じて地絡検出レベルを可変することができる。
さらに、電動機の運転速度に基づいて、当該運転速度に応じた零相成分をインバータ出力電圧指令に合成するか否かを決定することができる。すなわち、必要なときにだけ適切な零相成分をインバータ出力電圧指令に合成でき、また、不必要なときは零相成分をインバータ出力電圧指令に合成しないでおくことができる。

本発明によれば、システムに地絡が生じた場合に、システムの電動機の運転速度に応じて検出感度を上げることができ、その検出感度で検出可能な運転範囲を拡大することで、システム異常（地絡）を精度良くかつ早期に検出することができるという効果を奏する。
特に、零相成分がインバータ出力指令に合成されないときには、接地抵抗器に流れる電流検出値のピークを低減することができる。これにより、地絡検出装置において、より広い速度範囲まで地絡検出の範囲を広げる、すなわち地絡の検出感度を上げることができるので、地絡をより精度良くかつ早期に検出できる。

以下図面を用いて発明を実施するための最良の形態を説明する。
まず、実施の形態例１について説明する。
図１は、本実施の形態の第１例の電力変換装置の構成図である。１は交流電源、２は前記交流電源１の電圧を所望の電圧に変換する変圧器、３は前記変圧器２を介して得られる交流電力を直流電力に変換するコンバータである。

４は前記コンバータ３が出力する直流電力を所望の交流電力に変換するインバータ、５は前記インバータ４が出力する電力で駆動される交流電動機である。６は前記電動機５の出力トルクや速度が所望の特性を満たすように前記インバータ４を操作するインバータ制御装置、７は地絡が生じた場合に地絡を検出する地絡検出装置である。

８は電動機５に直結された速度検出器で電動機５の速度を検出し出力する。９は電流検出器で前記インバータ４の出力電流を検出し出力する。前記速度検出器８、電流検出器９の出力信号は、インバータ制御装置６に入力され、インバータ制御装置６は、各種演算処理を行い、前記インバータ４を操作する信号を出力する。

１０は前記コンバータ３とインバータ４の間の直流回路と地面との間に接続される接地抵抗器であり、１１は前記接地抵抗器１０に流れる電流を検出して出力する電流検出器である。この電流検出器１１の出力信号は、地絡検出装置７に入力され、地絡検出装置７は、各種演算処理を行い、接地抵抗器１０に流れる電流から地絡を検出してこれを判定する。

次に、インバータ制御装置の主要動作について説明する。先ず、インバータ制御装置６では、速度指令発生器６１から出力される速度指令値と速度検出器８から出力される速度検出値が速度制御器６２に入力される。速度制御器６２では、速度検出値が速度指令値と一致するようにトルク電流指令値を演算し出力する。

前記トルク電流指令値と、励磁電流指令発生器６３から出力される励磁電流指令値と、電流検出器９から出力されるインバータ出力電流検出値が電流制御器６４に入力される。電流制御器６４では、インバータ出力電流検出値が電流指令値に一致するようにインバータ電圧指令値を演算し出力する。

前記インバータ電圧指令値は零相成分演算器６５に入力され、そして前記インバータ電圧指令値に零相成分演算器６５で演算された零相成分が合成された電圧がパルス生成器６６に入力される。パルス生成器６６では、インバータ４のインバータ出力電圧がインバータ出力電圧指令値に一致するようにインバータ４のスイッチング素子をオン・オフするパルス信号を演算し出力する。コンバータ３にもコンバータ制御装置があるが、その動作についての説明はここでは省略する。

次に、本実施の形態における地絡検出装置７の検出動作について説明する。地絡検出装置７では、電流検出器１１から出力される電流値がフィルタ回路７１に入力され、フィルタ回路７１では、設定したフィルタ特性に応じた信号処理を行い、信号処理された電流値を出力する。前記信号処理後の電流値は、整流回路７２に入力され、整流回路７２では、入力された信号に整流処理を行い、交流から直流に整流処理された電流値を出力する。

前記整流処理後の電流値と地絡検出レベル演算器７３から出力される地絡検出レベルが比較器７４に入力される。比較器７４では、地絡検出レベルと整流処理後の電流値を比較し、その結果を出力する。前記比較結果は、地絡検出処理器７５に入力され、地絡検出処理器７５では、入力された比較結果に基づき、地絡検出の判定及び地絡検出後の処理を行う。ここで、地絡検出レベル演算器７３には、速度検出器８から出力される速度検出値が入力され、設定されたテーブル又は演算式により、速度検出値に応じた地絡検出レベルが演算され、出力される。

次に、図２から図６を用いて本実施の形態における地絡検出レベルを可変することによる効果について説明する。図２は、地絡が生じていない通常運転時に電流検出器１１で検出された電流値をフィルタ回路７１でフィルタ処理した波形（ａ）と、整流回路７２で整流処理した波形（ｂ）の一例を示したものである。図２に示すように地絡が生じていない状態でも、電動機５側に存在する寄生容量２２や変圧器２側に存在する寄生容量２１を通して、接地抵抗器１０に電流が流れる。その電流の周波数成分は、電力変換器であるインバータ４のスイッチング周波数、零相成分の周波数などがある。

また、図３は横軸に速度を取り、各速度で電動機５を運転した時の地絡が生じていない状態での整流回路７２で整流処理した波形のピーク値を縦軸にとった一例を示したものである。図３に示すように、電動機５の運転状態によって電力変換器であるインバータ４のスイッチング周波数成分３２を変更する場合や、速度指令発生器６１からの速度指令値に加算される零相成分演算器６５で演算される零相周波数成分３３の大きさを変更する場合は、通常状態において接地抵抗に流れる電流のピーク値３１が運転状態によって変化する。

図４は電動機５側で地絡が生じた時に電流検出器１１で検出された電流値をフィルタ回路７１でフィルタ処理した波形（ａ）と、整流回路７２で整流処理した波形（ｂ）の一例を示したものである。図４が示すように地絡発生時点４１では、図２に示した周波数成分に加えてインバータ出力周波数成分の電流が電流検出値に流れる。

図５は、横軸に速度を取り、各速度で運転し地絡が生じた状態での整流回路７２で整流処理した波形の接地電流ピーク値を縦軸にとった一例を示したものである。尚、地絡は常に完全地絡が瞬時に生じる場合は少なく、ある抵抗値を介して地絡すると考えられるため、それを図１において地絡抵抗器２３で模擬し、図５中には各地絡抵抗値に対する電流ピーク値を示した。図５が示すように、通常時の接地電流ピーク値５１に対して地絡時の接地電流ピーク値も電動機５の運転状態によって変化し、当然ながら地絡抵抗値が大きい場合５４より中程度５３、小さい場合５２と、地絡抵抗値が小さい程、接地電流ピーク値は大きくなる。

図６は、図２から図５を踏まえ、地絡検出感度と地絡検出範囲について本実施の形態の効果について示したものである。ここで、地絡検出感度とは、図１に示した地絡抵抗器２３の地絡抵抗値がどれぐらい大きい抵抗値８３，８４，８５まで地絡検出レベル８２を超えた接地電流ピーク値を検出可能かということを表している。ここで、地絡検出範囲８６はどれぐらいの電動機５の運転速度範囲で接地電流ピーク値の検出が可能かを示すものである。

そこで、本実施の形態では図６のように通常時の接地電流ピーク値８１に対応して電動機５の運転速度に応じて地絡検出レベル８２を可変した。この場合、地絡抵抗が中程度の場合８４における地絡検出可能な運転範囲８６が広いものとなり、地絡抵抗が大の場合８５にも地絡検出可能となる。ここでは、電動機５の運転速度が高いほど地絡検出レベル８２を低くして検出感度を向上させている。

これにより、地絡検出可能な運転範囲８６と地絡検出感度を改善できる効果があり、このようにすることで、システムに地絡が生じた場合に、その検出感度と検出可能な運転範囲を拡大することで、システム異常（地絡）を精度良くかつ早期に検出することができる。

次に、実施の形態例２について説明する。
図７は、他の実施の形態例であって、電流制御器６４からのインバータ電圧指令値に合成する零相成分演算器６５で演算される零相成分に係数を掛ける乗算器６７と前記係数を演算する零相成分可変係数演算器６８を設置する。そして、電動機５の運転状態によって零相成分可変係数演算器６８の係数を可変することで、電流制御器６４からのインバータ電圧指令値に合成する零相成分演算器６５で演算される零相成分の値を電動機５の運転状態によって可変する点が図１と異なる。

零相成分演算器６５で演算される零相成分を電流制御器６４からのインバータ電圧指令値に合成する目的は、速度指令値の電圧波形を台形波状にし、インバータ４が出力できる電圧を増大することにある。これによりインバータ４の高電圧出力時に電圧余裕を生むことができる。前記目的を考えた場合に、零相成分演算器６５で演算される零相成分の電流制御器６４からのインバータ電圧指令値に対する合成は、インバータ４で電圧余裕が必要となる高電圧時に対応する電動機５の高速運転時にのみ行えば良く、インバータ４で電圧余裕が十分にある低電圧時に対応する電動機５の低速運転時には行う必要は無い。

一方、図２及び図３が示すように通常運転時に接地抵抗１０に流れる電流値を考えた場合、零相成分可変係数演算器６８の係数をゼロにすることにより、零相成分演算器６５で演算される零相成分による電流をゼロとする。これにより、通常時に接地抵抗１０に流れる電流値を低減することができる。

そこで、図７では電動機５の運転状態、例えば電動機５の運転速度やインバータ４が、出力できる電圧に応じて電流制御器６４からのインバータ電圧指令値に合成する零相成分演算器６５で演算される零相成分値を、零相成分可変係数演算器６８の係数により可変にする。

これにより、電動機５の低速運転（インバータ４の出力が低電圧）時は、零相成分演算器６５で演算される零相成分値を、零相成分可変係数演算器６８の係数をゼロにすることによりゼロとする。そして、零相成分を必要とする電動機５の高速運転（インバータ４の出力が高電圧）時のみ零相成分演算器６５で演算される零相成分値に、零相成分可変係数演算器６８の係数を整数にすることにより所定割合の零相成分値を合成するようにした。

図８は本実施の形態例の効果を説明する図であり、零相成分を零相成分可変係数演算器６８の係数により可変することで通常運転時の接地電流ピーク値９１を図６で示した通常時の接地電流ピーク値８１と比べて低減することができる。これにより、図６で示した検出可能運転範囲８６に比べて検出可能運転範囲９６を広い速度範囲まで広げることができる。地絡抵抗値が中程度の場合８４における検出可能運転範囲９６が広く、地絡抵抗値が大きい場合９５も検出可能でかつ検出可能運転範囲９６を広くできることがわかる。

このようにすることで、図１の第１例に対して、地絡検出可能な運転範囲９６による地絡検出範囲を広げることができ、通常運転時の接地電流ピーク値９１を低減することにより地絡検出レベル９２による地絡検出感度をさらに改善できる効果がある。従って、システムに地絡が生じた場合に、その検出感度と検出可能な運転範囲を拡大することで、システム異常（地絡）を精度良くかつ早期に検出することができる。

次に、実施の形態例３について説明する。
図９は、他の実施の形態例であって、共通コンバータ３に複数のインバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…が接続されている点が図１、図７と異なる。また、地絡検出装置７内に地絡検出設定値演算器７６を設置し、各インバータ制御装置６ａ、６ｂ、６ｃ、…内の運転状態（電動機５ａ、５ｂ、５ｃ、…の運転速度、インバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…の出力電圧など）を通常運転時に接地抵抗器１０に流れる電流値と共に、地絡検出設定値演算器７６に入力する。

そして、地絡検出設定値演算器７６では、試験運転時又は操業運転中のある期間において、各インバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…の運転状態に応じて、通常運転時の接地抵抗器１０に流れる電流値を記憶し、各運転状態における前記記憶された電流値に対して地絡検出レベルを演算し出力する。

地絡検出設定値演算器７６で演算された地絡検出レベルは、運転状態信号と共に地絡検出レベル演算器７３に入力され、テーブル又は演算式に設定される。また、地絡検出レベル演算器７３には、操業運転中の運転パターンが地絡検出設定値演算器７６から入力され、設定されたテーブル又は演算式により、運転パターンに応じた地絡検出レベルが演算され、出力される点が図１、図７と異なる。ここで、運転パターンとは、複数のインバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…による複数の電動機５ａ、５ｂ、５ｃ、…の運転速度の組み合わせによる各種運転パターンを含むものである。

共通コンバータ３に複数のインバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…が接続されている場合は、各インバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…側の寄生容量２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、…を通して流れる電流が合成された電流が接地抵抗器１０に流れるため、検出レベルを可変することが困難である。

そこで、システムとして決められた各インバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…の運転パターン時の接地抵抗１０に流れる電流を地絡検出設定値演算器７６で記憶し、地絡検出レベル演算器７３において各運転パターンに応じた地絡検出レベルを設定することで、検出レベルの可変を可能にした。

このようにすることで、共通コンバータ３に複数インバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を設置するシステム構成においても、運転パターンに応じて図１又は図７と同様に地絡検出範囲と地絡検出感度を改善できる効果があり、システムに地絡が生じた場合に、その検出感度と検出可能な運転範囲を拡大することで、システム異常（地絡）を精度良くかつ早期に検出することができる。
なお、上述した本実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない限り、適宜、変更しうることはいうまでもない。

本実施形態を示す第１例の電力変換装置の構成図である。 通常運転時の接地電流波形図であり、図２（ａ）はフィルタ回路７１でフィルタ処理した波形、図２（ｂ）は整流回路７２で整流処理した波形である。 通常運転時の地絡検出電流ピーク値の運転速度に対する特性図である。 地絡時の接地電流波形図であり、図４（ａ）はフィルタ回路７１でフィルタ処理した波形、図４（ｂ）は整流回路７２で整流処理した波形である。 地絡時の地絡検出電流ピーク値の運転速度に対する特性図である。 地絡検出範囲と地絡検出感度の説明図である。 他の実施形態を示す第２例の電力変換装置の構成図である。 第２例の地絡検出範囲と地絡検出感度の説明図である。 他の実施形態を示す第３例の電力変換装置の構成図である。 従来例における地絡検出範囲と地絡検出感度の説明図である。

符号の説明

１…交流電源、２…変圧器、３…コンバータ、４…インバータ、５…電動機、６…インバータ制御装置、７…地絡検出装置、８…速度検出器、９…電流検出器、１０…接地抵抗器、１１…電流検出器、２１…変圧器側寄生容量、２２…電動機側寄生容量、２３…地絡抵抗器、６１…速度指令発生器、６２…速度制御器、６３…励磁電流指令発生器、６４…電流制御器、６５…零相成分演算器、６６…パルス生成器、７１…フィルタ回路、７２…整流器、７３…地絡検出レベル演算器、７４…比較器、７５…地絡検出処理器、７６…地絡検出設定値演算器

Claims (4)

1. 交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータが出力する直流電力を所望の周波数の交流電力に変換して電動機に供給するインバータとを有する電力変換装置において、
   前記コンバータと前記インバータの間の直流回路部を接地する接地抵抗器と、
   前記接地抵抗器に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電動機の運転速度を検出する速度検出器と、
   前記運転速度に応じて地絡検出レベルを可変する地絡検出レベル可変部と、前記地絡検出レベル可変部が出力する検出レベルと前記接地抵抗器に流れる電流検出値を比較する比較部と、前記比較部の比較出力により地絡検出を判定する地絡判定部とを含む地絡検出装置と、
   前記運転速度に応じたインバータ電圧指令値を算出するインバータ電圧指令値算出部と、
   前記運転速度に基づいて、零相成分を前記インバータ電圧指令値に合成するか否かを決定し、前記インバータ電圧指令値に前記零相成分を合成する際には前記零相成分を合成する量を調節する零相成分可変部と、前記零相成分可変部で調節された前記零相成分を前記インバータ出力電圧指令に合成して新たなインバータ出力電圧指令とする零相成分加算部とを備え、前記電動機の通常運転時に前記接地抵抗器に流れる電流検出値が小さくなるべく、前記インバータの出力電圧が前記インバータ出力電圧指令に対応する電圧に一致するように制御するインバータ制御装置と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記地絡検出装置は、前記運転速度と前記接地抵抗器に流れる電流検出値の関係を記憶する記憶部を備え、
   前記運転速度に応じて地絡検出レベルを可変するために前記地絡検出レベル演算器内に設けられたテーブル又は演算式を前記記憶部に蓄積されたデータに基づき設定する
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記零相成分可変部は、前記運転速度に応じて零相成分の量を増加させる
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 交流電力を直流に変換するコンバータと、前記コンバータが出力する直流電力を所望の周波数の交流電力に変換して電動機に供給するインバータとを有する電力変換装置における電力変換方法であって、
   前記コンバータと前記インバータの間の直流回路部を接地する接地抵抗器に流れる電流を検出する電流検出ステップと、
   前記電動機の運転速度を検出する速度検出ステップと、
   前記運転速度に応じて地絡検出レベルを可変し、可変した前記検出レベルと前記接地抵抗器に流れる電流検出値を比較し、比較出力により地絡検出を判定する地絡検出ステップと、
   前記運転速度に応じたインバータ電圧指令値を算出し、前記運転速度に基づいて、零相成分を前記インバータ電圧指令値に合成するか否かを決定し、前記インバータ電圧指令値に零相成分を合成する際には前記零相成分を合成する量を調節し、調節した前記零相成分を前記インバータ出力電圧指令に合成して新たなインバータ出力電圧指令とし、前記電動機の通常運転時に前記接地抵抗器に流れる電流検出値が小さくなるべく、前記インバータの出力電圧が前記インバータ出力電圧指令に対応する電圧に一致するように制御するインバータ制御ステップと
   を含むことを特徴とする電力変換方法。

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