JP6575289B2 - Power converter - Google Patents
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Description
この発明は、系統の交流電源から供給される交流電力を直接直流電力、または交流電力に変換して出力する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter that directly converts AC power supplied from a system AC power source into DC power or AC power and outputs the power.
この種の電力変換装置は、系統の交流電源の電圧が高い場合には、電力変換装置を複数台設け、これら電力変換装置の交流側入力端を系統の交流電源に直列接続して使用することが多い。これは、各電力変換装置を構成する半導体スイッチ素子に定格電圧の低い半導体スイッチ素子使用することにより装置のコスト低減を実現する。 This type of power conversion device is provided with a plurality of power conversion devices when the voltage of the system AC power supply is high, and the AC side input terminals of these power conversion devices are connected in series to the system AC power supply. There are many. This realizes cost reduction of the device by using a semiconductor switch element having a low rated voltage for the semiconductor switch element constituting each power conversion device.
特許文献1にこの種の従来の電力変換装置が示されている。
図6に、その第1の従来例を示す。図6は、複数の電力変換器セル50−1〜50−nを備えた電力変換装置の回路構成を概略的に示すものである。各電力変換器セルは、単相交流および直流相互間の変換を行う第1の交流−直流電力変換器51、この変換器51の直流電圧を平滑するコンデンサC1、このコンデンサC1の両端の直流電力を高周波の交流電力に変換する第1の直流−交流流電力変換器52、この第1の直流−交流流電力変換器52の出力の高周波の交流電力の電圧を変成する高周波変圧器53、この高周波変圧器53の出力の交流電力を直流電力に変換する第2の交流−直流電力変換器54、この第2の交流−直流電力変換器54の直流出力電圧を平滑するコンデンサC2、コンデンサC2の両端の直流電力を交流電力に変換する第2の直流−交流流電力変換器55により構成される。
FIG. 6 shows the first conventional example. FIG. 6 schematically shows a circuit configuration of a power conversion device including a plurality of power converter cells 50-1 to 50-n. Each power converter cell includes a first AC-
電力変換器セル50−1〜50−nの交流入力端は、互いに直列に接続して系統の交流電源59に接続される。そして、電力変換器セル50−1〜50−nの交流出力端は互いに直列接続して図示しない負荷に接続することができる。
The AC input terminals of the power converter cells 50-1 to 50-n are connected in series to each other and connected to the
直列接続される電力変換器セル50−1〜50−nの段数が多くなるほど、各セルの電圧定格を低減できるとともに、交流出力電圧を多レベル(マルチレベル)化することができる。 As the number of stages of power converter cells 50-1 to 50-n connected in series increases, the voltage rating of each cell can be reduced and the AC output voltage can be multi-level (multi-level).
図7に第2の従来例を示す。この第2の従来例における各電力変換器セル50−1〜50−nは、前記の第1の従来例における電力変換器セル50−1〜50−nの最終段の直流−交流流電力変換器55を省いて、直流電力を出力するようにしたものであり、最終段の交流−直流電力変換器54の直流出力端を直列に接続する。
FIG. 7 shows a second conventional example. The power converter cells 50-1 to 50-n in the second conventional example are DC-AC current power conversions in the final stage of the power converter cells 50-1 to 50-n in the first conventional example. The
この第2の従来例によれば、n段の電力変換器セル50−1〜50−nにより1段の電力変換器セル50の定格直流出力電圧のn倍の直流電圧を得ることができる。
According to the second conventional example, the n-stage power converter cells 50-1 to 50-n can obtain a DC voltage n times the rated DC output voltage of the one-stage
図8に第3の従来例を示す。第3の従来例は、第2の従来例において複数の電力変換器セル50−1〜50−nの直流出力端を直列接続する代わりに、並列接続したものである。 FIG. 8 shows a third conventional example. In the third conventional example, the DC output terminals of the plurality of power converter cells 50-1 to 50-n are connected in parallel instead of being connected in series in the second conventional example.
この第3の従来例によれば、電力変換器セル50−1〜50−nをn段とすることにより、出力の電流容量を1段の電力変換器セル50の定格電流容量のn倍の電流用容量に増大することができる。
According to the third conventional example, the power converter cells 50-1 to 50-n are arranged in n stages, so that the output current capacity is n times the rated current capacity of the one-stage
前記のような複数の電力変換器セルを備えた従来の電力変換装置は、何れも、各電力変換器セルの交流入力端を直列接続して系統の交流電源に接続するので、電圧の高いに系統の交流電源の交流電力を、変圧器等を使用しないで直接、交流電力または直流電力に変換することができる。 Since the conventional power converters having a plurality of power converter cells as described above are connected to the AC power source of the system by connecting the AC input terminals of each power converter cell in series, the voltage is high. The AC power of the AC power supply of the system can be directly converted into AC power or DC power without using a transformer or the like.
しかし、複数の電力変換器セルの何れか1つのセルの内部のスイッチング素子に電路を開放するような故障が発生すると、全電力変換器セルへの入力電力の供給が遮断されるため、電力変換装置全体が運転停止しとなり、負荷への電力の供給ができなくなる。このため、従来の電力変換装置は信頼性に欠ける問題がある。 However, if a failure that opens the electrical circuit occurs in the switching element inside any one of the plurality of power converter cells, the supply of input power to all the power converter cells is cut off. The entire apparatus is shut down and power cannot be supplied to the load. For this reason, the conventional power converter has a problem of lack of reliability.
この発明は、このような問題点を解決するため、複数の電力変換器セルの少なくとも交流入力端を相互に直列接続して交流電源に接続して構成した電力変換装置において、電力変換器セルの1つに電路を開放するような故障(開放故障)が発生した場合、この故障した電力変換器セルだけを運転停止にして、残りの正常な電力変換器セルで運転を継続することにより、電力変換装置の全体の運転が停止されることのない信頼性の高い電力変換装置を提供することを課題とするものである。 In order to solve such a problem, the present invention provides a power conversion device in which at least AC input terminals of a plurality of power converter cells are connected in series to each other and connected to an AC power source. If a failure that opens one electrical circuit (open failure) occurs, only the failed power converter cell is shut down and the operation continues with the remaining normal power converter cells. It is an object of the present invention to provide a highly reliable power converter that does not stop the entire operation of the converter.
前記の課題を解決するため、この発明は、入力の交流電力を直流電力または交流電力に変換して出力する電力変換器セルを複数備え、少なくとも前記各電力変換器セルの交流入力端を相互に直列接続して交流電源に接続して構成した電力変換装置において、前記各電力変換器セルの内部に、スイッチング素子が電路を開放するような故障が発生したとき、その交流入力側を短絡する短絡用スイッチを設けたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention includes a plurality of power converter cells that convert input AC power into DC power or AC power and output the power, and at least the AC input terminals of the power converter cells are mutually connected. In a power converter configured to be connected in series and connected to an AC power source, a short circuit that short-circuits the AC input side of each power converter cell when a failure occurs such that the switching element opens the circuit. A switch is provided.
この発明おいて、前記各電力変換器セルは、その直流または交流の出力端を並列接続するか、あるいは直列接続して直流負荷または交流負荷に接続することができる。 In the present invention, each of the power converter cells can be connected to a DC load or an AC load by connecting their DC or AC output terminals in parallel or by connecting them in series.
前記電力変換器セルの交流入力側の短絡用スイッチは、当該電力変換器セルの入力側の交流−直流電力変換器の直流出力端を短絡する半導体スイッチ素子により構成してもよい。 The short-circuit switch on the AC input side of the power converter cell may be constituted by a semiconductor switch element that short-circuits the DC output terminal of the AC-DC power converter on the input side of the power converter cell.
また、前記電力変換器セルの交流入力側を短絡用スイッチは、前記各電力変換器セルの交流入力端を短絡する双方向半導体スイッチによって構成することができる。 Moreover, the switch for short-circuiting the AC input side of the power converter cell can be constituted by a bidirectional semiconductor switch that short-circuits the AC input terminal of each power converter cell.
さらに、前記電力変換器セルの交流入力側の短絡用スイッチは、前記各電力変換器セルの交流入力端を短絡する機械的スイッチによって構成することもできる。 Furthermore, the short-circuit switch on the AC input side of the power converter cell may be configured by a mechanical switch that short-circuits the AC input terminal of each power converter cell.
前記複数の電力変換器セルの出力端を直列接続した場合は、前記各電力変換器セルの出力端に、これを短絡する短絡用スイッチを設けるのがよい。 When the output ends of the plurality of power converter cells are connected in series, it is preferable to provide a shorting switch for short-circuiting the output ends of the power converter cells.
複数の電力変換器セルの少なくとも交流入力端を相互に直列接続して交流電源に接続して構成した電力変換装置において、前記複数の電力変換器セルのいずれか1つに、内部のスイッチング素子が電路を開放するような開放故障を発生した場合、この発明によれば、故障した電力変換器セルを運転停止にして、交流入力側を、短絡用スイッチをオンにして短絡することにより、故障した電力変換器セル以外の健全なセルへの交流電力の供給を継続することができるので、電力変換装置は負荷への電力供給を停止することなく継続して行うことができる。 In the power converter configured by connecting at least AC input terminals of a plurality of power converter cells in series with each other and connected to an AC power source, an internal switching element is provided in any one of the plurality of power converter cells. According to the present invention, when an open failure that opens the electric circuit occurs, the failure is caused by shutting down the faulty power converter cell and short-circuiting the AC input side by turning on the short-circuit switch. Since the supply of AC power to healthy cells other than the power converter cell can be continued, the power conversion device can continue without stopping the power supply to the load.
したがって、この発明による電力変換装置は、複数の電力変換セルの1つが故障した場合でも、全体の運転が停止されることなく、残りの健全な電力変換セルの運転が継続され、負荷への電力供給を継続することができるので、電力変換装置の信頼性を高めることができる。 Therefore, the power conversion device according to the present invention continues the operation of the remaining healthy power conversion cells without stopping the entire operation even when one of the plurality of power conversion cells fails, and supplies power to the load. Since supply can be continued, the reliability of a power converter device can be improved.
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the embodiments shown in the drawings.
図1はこの発明の第1の実施例の電力変換装置の構成を示すものである。 FIG. 1 shows the configuration of a power conversion apparatus according to a first embodiment of the present invention.
図1において、10−1〜10−nは、同じ構成のn個(nは2以上の自然数)の電力変換器セルである。各電力変換器セル10は、交流電力を直流電力に変換するダイオードで構成されたコンバータ回路CN1と平滑用のコンデンサC1で構成された交流−直流電力変換器11と、この交流−直流電力変換器11の直流出力を所定の電圧の直流電力に変換する直流−直流電力変換器12を備える。
In FIG. 1, 10-1 to 10-n are n (n is a natural number of 2 or more) power converter cells having the same configuration. Each
直流−直流電力変換器12は、交流−直流電力変換器11の出力の直流電力を、高周波の交流電力に変換するインバータ回路IN1と、このインバータ回路IN1の交流出力電圧を所定の交流電圧に変成する高周波変圧器Tと、高周波変圧器Tから出力される交流電力を所定の電圧の直流電力に変換するトランジスタで構成されたコンバータ回路CN2と、コンバータ回路CN2の直流出力電圧を平滑するための直流リアクトルL2およびコンデンサC2とで構成される。
The DC-
そして、交流−直流電力変換器11のコンバータ回路CN1の直流出力端を短絡するために、これに並列に、IGBT等のトランジスタTrとダイオードD1を逆並列接続して構成した半導体スイッチS1を接続している。この半導体スイッチS1は、電力変換器セル10が正常に動作しているときは、オフにされ、コンバータ回路CN1の直流出力端を開放する。そして、セル内の直流−直流電力変換器12のコンバータ回路CN2を構成するスイッチングトランジスタが電路を開放する故障を生じた際に、半導体スイッチS1は、オンにされ、コンバータ回路CN1の直流出力端を短絡する動作をする。
In order to short-circuit the DC output terminal of the converter circuit CN1 of the AC-
このように構成したn個の電力変換器セル10−1〜10−nの入力段の交流−直流電力変換器11の交流入力端は、互いに直列に接続されて系統の交流電源18に接続される。そして、電力変換器セル10−1〜10−nの出力段の直流−直流電力変換器12の直流出力端は互いに並列に接続して直流の負荷19に接続して、各電力変換器セルから直流電力を負荷19に並列に供給する。
The AC input terminals of the AC-
このように構成した電力変換装置は、交流電源18が高電圧であっても、n個の電力変換器セル10で電圧を分担するので、各電力変換器セルは、電圧定格の低いセルで構成することができる。そして、負荷19へはn個の電力変換器セル10から並列に直流電力を供給するので、負荷19の電流容量を増大することができる。このため、この発明の電力変換装置は、データセンタ等におけるサーバ用電源のような、直流の低電圧で大電流を必要とする電源として使用するのが最適である。
Since the power converter configured in this way shares the voltage among the n
この電力変換装置は、全ての電力変換器セルが健全に動作しているときは、各電力変換器セルの短絡用の半導体スイッチS1は、図示しない制御装置から、オフ指令が与えられ、オフ(不導通)にされている。これにより、各電力変換器セル10のコンバータ回路CN1の直流出力端が開放されるので、交流電源18から供給される交流電力が、交流−直流電力変換器11で直流電力に変換されて、直流−直流電力変換器12に供給され、この直流−直流電力変換器12でこの直流電力が所定の電圧の直流電力に変換されて負荷19に並列に供給される。
In this power converter, when all the power converter cells are operating soundly, the semiconductor switch S1 for short-circuiting each power converter cell is given an OFF command from a control device (not shown) and turned OFF ( Non-conducting). Thereby, since the DC output terminal of the converter circuit CN1 of each
ここで、例えば、電力変換器セル10−1で、直流−直流電力変換器12のインバータ回路IN1を構成するスイッチングトランジスタの1つに、電路を開放するような開放故障が発生すると、全電力変換器セル10−1〜10−nに交流電源18から直列に供給される入力電流が、この電力変換器セル10−1のインバータ回路IN1の故障したスイッチングトランジスタで遮断されることにより、全電力変換器セルが電力供給を停止し、負荷19への電力供給ができなくなる。
Here, for example, in the power converter cell 10-1, when an open fault that opens the electric circuit occurs in one of the switching transistors constituting the inverter circuit IN1 of the DC-
このような負荷19への電力供給が停止されることがないようにするため、この発明では、前記のような開放故障が発生すると、図示しない制御装置がこれを検知し、直ちに、故障の発生した電力変換器セル10−1に運転を停止する指令を与え、かつ、短絡用半導体スイッチS1にオン指令を与える。これにより、電力変換器セル10−1は運転を停止し、電力変換動作を停止するとともに、半導体スイッチS1がオンするので、これによって電力変換器セル10−1のコンバータ回路CN1の直流出力端が短絡される。
In order to prevent the power supply to the
これによって、交流電源18から電力変換装置へ供給される入力電流は、故障した電力変換器セル10−1のコンバータ回路CN1および半導体スイッチS1を通して、故障した電力変換器セルと直列に接続されたその他の健全な電力変換器セルに流れるので、健全な電力変換器セルから負荷19への直流電力の供給を継続することができる。
As a result, the input current supplied from the
図2は、この発明の第2の実施例の構成を示すものである。 FIG. 2 shows the construction of the second embodiment of the present invention.
図1の第1の実施例では、電力変換器セル10のコンバータ回路CN1に電路を開放するような開放故障が発生した場合は、バックアップすることができないので、第2の実施例はこれを改善するものである。
In the first embodiment of FIG. 1, when an open fault that opens the electric circuit occurs in the converter circuit CN <b> 1 of the
第2の実施例の電力変換装置は、各電力変換器セル10の構成、およびn個の電力変換器セル10−1〜10−nの接続構成は、図1に示す第1の実施例の電力変換装置と同じである。しかし、短絡用半導体スイッチS1の代わりに、スイッチングトランジスタとダイオードとを逆並列接続して構成した半導体スイッチを2個、逆直列接続して構成した双方向半導体スイッチ(いわゆる交流スイッチ)S2を使用する点が異なる。
In the power conversion device of the second embodiment, the configuration of each
この双方向半導体スイッチS2は、各電力変換器セル10の交流入力端にそれぞれ並列に接続される。このため、この双方向半導体スイッチS2は、それぞれの電力変換器セル10が健全に動作しているときは、オフ(不導通)にされ、その内部に電路を開放するような開放故障が発生したときは、オン(導通)にされて、それぞれの電力変換器セル10の交流入力端を短絡する動作をする。
The bidirectional semiconductor switch S2 is connected in parallel to the AC input terminal of each
この第2の実施例の電力変換装置も、第1の実施例の電力変換装置と同様に、全ての電力変換器セルが健全に動作しているときは、各電力変換器セルの短絡用の双方向スイッチS2は、図示しない制御装置から、オフ指令が与えられ、オフ(不導通)にされている。これにより、各電力変換器セル10のコンバータ回路CN1の交流入力端が開放されるので、交流電源18から供給される交流電流が、各電力変換器セル10のコンバータ回路CN1に直列に流れる。これにより供給される交流電力が、各電力変換器セル10において、交流−直流電力変換器11で直流電力に変換されて、直流−直流電力変換器12に供給され、この直流−直流電力変換器12でこれが所定の電圧の直流電力に変換されて負荷19に並列に供給される。
Similarly to the power conversion device of the first embodiment, the power conversion device of the second embodiment is used for short-circuiting each power converter cell when all the power converter cells are operating soundly. The bidirectional switch S2 is turned off (non-conducting) by receiving an off command from a control device (not shown). Thereby, the AC input terminal of the converter circuit CN1 of each
ここで、例えば、電力変換器セル10−1で、直流−交流変換器11のコンバータ回路CN1を構成するダイオードの1つに、電路を開放するような開放故障が発生すると、交流電源18から全電力変換器セル10−1〜10−nに直列に供給される入力電流が、この電力変換器セル10−1のコンバータ回路CN1の開放故障したダイオードで遮断される。これにより、全電力変換器セルへの電力供給が停止され、負荷19への電力供給ができなくなる。
Here, for example, in the power converter cell 10-1, when one of the diodes constituting the converter circuit CN1 of the DC-
このような負荷19への電力供給が停止されるのを防止するため、この実施例2では、前記のような開放故障が発生すると、図示しない制御装置がこれを検知し、直ちに、故障の発生した電力変換器セル10−1に運転を停止する指令を与え、かつ、短絡用双方向スイッチS2にオン指令を与える。これにより、電力変換器セル10−1は電力変換動作を停止するとともに、双方向半導体スイッチS2がオンするので、これによって電力変換器セル10−1のコンバータ回路CN1の交流入力端が短絡される。
In order to prevent the power supply to the
このため、交流電源18から電力変換装置へ供給される入力電流は、故障した電力変換器セル10−1の交流入力端の双方向半導体スイッチS2を通して、故障した電力変換器セルをバイパスして、これと直列に接続されたその他の健全な電力変換器セルに流れるので、健全な電力変換器セルから負荷19への直流電力の供給を継続することができる。
For this reason, the input current supplied from the
図3は、この発明の第3の実施例の構成を示すものである。 FIG. 3 shows the configuration of the third embodiment of the present invention.
この第3の実施例は、図2の第2の実施例における双方向半導体スイッチS2の代わりに、リレー等の機械式スイッチS3を使用したものである。このスイッチS3も、第2の実施例の電力変換装置と同様に、全ての電力変換器セルが健全に動作しているときは、オフにされ、電力変換器セルの内部に電路を開放するような開放故障が発生したときは、オンして各電力変換器セルの交流入力端を短絡するように動作する。 In the third embodiment, a mechanical switch S3 such as a relay is used instead of the bidirectional semiconductor switch S2 in the second embodiment of FIG. Similarly to the power converter of the second embodiment, this switch S3 is also turned off when all the power converter cells are operating soundly so as to open an electric circuit inside the power converter cell. When an open failure occurs, it is turned on and operates to short-circuit the AC input terminal of each power converter cell.
その他の構成は、実施例2の構成と変わるところがないので、詳細な説明は省略する。 Since other configurations are the same as those of the second embodiment, detailed description thereof is omitted.
この第3の実施例においても、電力変換器セル10の1つに、内部で、電路を開放するような開放故障が発生すると、故障した電力変換器セル10の動作が停止され、スイッチS3がオンにされ、その交流入力端を短絡する。これにより、故障した電力変換器セルと直列に接続されたその他の健全な電力変換器セル10へ、入力電流が遮断されることなく継続して供給されるので、健全な電力変換器セル10によって、負荷19への直流電力の供給を継続することができる。
Also in the third embodiment, when an open failure that opens the electric circuit occurs in one of the
図4は、この発明の第4の実施例の構成を示すものである。 FIG. 4 shows the configuration of the fourth embodiment of the present invention.
この第4の実施例は、図1に示す第1の実施例における複数の電力変換器セル10−1〜10−nの直流出力端の接続を、直列接続に変更したものである。この第4の実施例によれば、直流出力端を直列接続しているので、出力電圧を高めることができる。 In the fourth embodiment, the connection of the DC output terminals of the plurality of power converter cells 10-1 to 10-n in the first embodiment shown in FIG. 1 is changed to a series connection. According to the fourth embodiment, since the DC output terminals are connected in series, the output voltage can be increased.
この第4の実施例においては、複数の電力変換器セル10−1〜10−nの直流出力端が直列接続されるので、直流−直流電力変換器12の出力段のコンバータCN2のトランジスタに電路を開放するような開放故障が発生したときの対策のために、各電力変換器セル10の直流出力端に並列に、入力側の直流スイッチS1と同じ構成の直流スイッチS4を接続している。その他の構成は、第1の実施例と同じである。
In the fourth embodiment, since the DC output terminals of the plurality of power converter cells 10-1 to 10-n are connected in series, an electric circuit is connected to the transistor of the converter CN2 at the output stage of the DC-
各電力変換器セル10の直流−直流電力変換器12の入力段のインバータ回路IN1に電路を開放するような開放故障が発生した場合は、第1の実施例と同様に、入力側の半導体スイッチS1をオンにして交流入力端を短絡することにより、健全な電力変換器セル10への交流電力の供給を継続し、電力変換装置全体の動作停止を回避する。
When an open circuit failure that opens an electric circuit occurs in the inverter circuit IN1 of the input stage of the DC-
そして、各電力変換器セル10の直流−直流電力変換器12の出力段のコンバータ回路CN2に電路を開放するような開放故障が発生した場合は、出力側の直流スイッチS4をオンにして直流出力端を短絡することにより、健全な電力変換器セル10から負荷への直流電力供給が遮断されるのを防止し、電力変換装置全体の動作停止を回避する。
If an open circuit failure that opens the circuit in the converter circuit CN2 at the output stage of the DC-
図5は、この発明の第5の実施例の構成を示すものである。 FIG. 5 shows the structure of the fifth embodiment of the present invention.
この第5の実施例は、図2に示す第2の実施例における各電力変換器セル10の直流−直流電力変換器12の直流出力端に、さらに直流電力を交流電力に変換するインバータ回路IN2を接続し、交流出力を得るようにしたものである。各電力変換器セル10の交流出力端は並列に接続され、各電力変換器セル10から交流負荷19Aへ交流電力を並列に供給する。その他の構成は、図2の第2の実施例と同じである。この第5の実施例によれば、電流容量の大きい大容量の交流負荷への給電が可能となる。
In the fifth embodiment, an inverter circuit IN2 further converts DC power into AC power at the DC output terminal of the DC-
この第5の実施例においても、第2の実施例と同様に、複数の電力変換器セル10−1〜10−nの何れかにおいて、コンバータ回路CN1で、電路を開放するような開放故障が発生すると、故障した電力変換器セル10の動作が停止されるとともに、交流入力端の双方向半導体スイッチS2をオンにして、その交流入力端を短絡する。これにより健全なその他の電力変換器セル10へ、交流電源18からの入力電流が遮断されることなく継続して流れるので、健全な電力変換器セル10から負荷19への直流電力の供給を継続することができる。
Also in the fifth embodiment, as in the second embodiment, in any of the plurality of power converter cells 10-1 to 10-n, an open failure that opens the electric circuit in the converter circuit CN1 occurs. When it occurs, the operation of the failed
10−1〜10−n:電力変換器セル
11:交流−直流電力変換器
12:直流−直流電力変換器
18:系統交流電源
19:直流負荷
19A:交流負荷
CN1、CN2:コンバータ回路
IN1,IN2:インバータ回路
T:高周波変圧器
L1,L2:リアクトル
C1,C2:コンデンサ
10-1 to 10-n: Power converter cell 11: AC-DC power converter 12: DC-DC power converter 18: System AC power supply 19:
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