JPH0779531A - アクティブフィルタ装置 - Google Patents

アクティブフィルタ装置

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JPH0779531A
JPH0779531A JP5222415A JP22241593A JPH0779531A JP H0779531 A JPH0779531 A JP H0779531A JP 5222415 A JP5222415 A JP 5222415A JP 22241593 A JP22241593 A JP 22241593A JP H0779531 A JPH0779531 A JP H0779531A
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Michihiro Furuta
通博 古田
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    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J3/1842Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein at least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. active filters
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)
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  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 補償対象負荷が容量性負荷をもつ場合でも、
パッシブフィルタを用いずに高調波成分を安定に抑圧で
き、構成が簡単で、安価なアクティブフィルタ装置を得
る。 【構成】 負荷電流の高調波成分を検出し、この高調波
を補償するための補償電流基準を求める補償電流基準検
出回路10を、基本波に対して位相補償を行いつつ基本
波の補償電流基準IL1'を求める第1の補償電流基準検
出手段10p1と、第n次の高調波に対して位相補償を
行いつつ第n次の高調波の補償電流基準ILn'を求める
第2の補償電流基準検出手段10pnと、上記基本波の
補償電流基準IL1'と上記第n次の高調波の補償電流基
準ILn'とを合成し、補償電流基準IC*を求める合成手
段21とから構成し、各高調波成分ごとに位相補償・制
御するので、反共振点に対しても、安定に制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、電源系統の高調波電
流成分を抑制するためのアクティブフィルタ装置に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】図2は、三菱電機技報vol.62.No6.1988
p15〜p20に開示されたこの種の従来のアクティブフィル
タ装置の構成及び制御対象の電源系統との接続を示す回
路図である。図2において、1は補償対象負荷2に対し
て電源を供給する系統電源、2は系統電源1に接続され
た補償対象負荷であり、インバータ等の高調波を発生す
る高調波源3と進相コンデンサ等の容量性負荷4とから
なっている。5aは補償対象負荷2に流入する負荷電流
Lを検出する電流変成器、6は電流変成器5aの出力
をもとに負荷電流ILの高調波電流成分と同一の補償電
流ICを出力するアクティブフィルタ装置である。
【0003】アクティブフィルタ装置6は、図2の一点
鎖線の枠内の要素から構成されている。同図の上記枠内
において、5bは補償電流ICからその成分を検出する
電流変成器、7は系統電源1と補償対象負荷2とからな
る電源系統から補償電流ICを流入させるインバータ変
圧器、8は複数台のインバータユニットより構成され、
インバータ変圧器7を駆動し直流電圧源用コンデンサ9
に充電された直流電圧を交流電圧に変換する自励式イン
バータ、10は負荷電流ILに基づき補償電流基準IC
を検出する電流検出回路(詳細については後述する)、
11は補償電流基準IC*と電流変成器5bの出力IC
との差ΔIを求める加減算器、12は上記ΔI及びコン
デンサ電圧制御回路13の出力に基づき電圧基準V*を
算出する電流制御回路、13は直流電圧源用コンデンサ
9の電圧を制御するコンデンサ電圧制御回路、14は電
流制御回路12の出力に基づき自励式インバータ8を駆
動するPWM(Pulse Width Modulation)制御回路であ
る。
【0004】また、上記電流検出回路10は、図2の点
線の枠内の要素から構成されている。同図の上記枠内に
おいて、10aは系統電源に同期した角速度θ(基本波
の周波数)を検出するためのPLL回路、10bは電流
変成器5により検出した3相信号(iLa,iLb,iLc
を角速度θに基づき、交流成分を直流成分の2相信号
(id,iq)に変換する3φ/2φ変換回路、10cは
3φ/2φ変換回路10bの出力の2相信号(id
q)を平滑化するフィルタ回路、10dはフィルタ回
路10cにより平滑化された2相信号(id,iq)を角
速度θに基づき3相信号に変換し、補償電流基準IC
として出力する2φ/3φ変換回路10dである。な
お、図中で信号線に表された数字(3)は、3相信号の
信号線であることを示す。
【0005】次に動作について説明する。アクティブフ
ィルタ装置6は、補償対象負荷2に対し並列に接続さ
れ、負荷電流ILに含まれる高調波無効電流などの障害
電流成分を検出し、これと逆位相の補償電流ICをアク
ティブフィルタ装置6に流すことにより、電源側の障害
電流成分を相殺するように作用する。系統電源1から補
償対象負荷2に対して負荷電流ILが供給されている場
合において、まず、電流変成器5が、この負荷電流IL
を検出し、電流検出回路10に供給する。電流検出回路
10は、負荷電流ILに基づき、これを補償する電流、
つまり補償電流基準IC*を決定する(詳細は後述す
る)。この補償電流基準IC*とインバータ変圧器7に
流入する電流IC(補償電流)の成分IC−との差ΔI
を、加減算器11により求め、電流制御回路12に出力
する。電流制御回路12は、このΔIとコンデンサ電圧
制御回路13の出力とに基づき、電圧基準V*を算出す
る。PWM制御回路14は、電圧基準V*とこれをパル
ス幅変調(PWM)するための三角波搬送信号とを比較
し、変調することにより、ΔIが小さくなるように自励
式インバータ8を構成するインバータユニットを駆動
し、その出力電圧を制御する。ここで、三角波搬送信号
を用いて変調することにより、インバータユニットの出
力波形(平均)が正弦波になる。
【0006】アクティブフィルタ装置の中心部である自
励式インバータ8は、複数台のインバータユニットから
構成されており、それぞれのユニットはインバータ変圧
器7を介して直列に接続されている。各インバータユニ
ットはPWM制御回路14により制御され、インバータ
変圧器7に対して補償電流ICを流すのに必要な電圧を
発生させる。このように、インバータ8は直流電圧源用
コンデンサ9に充電された直流電圧を交流電圧に変換す
る役割を果たしており、交流電圧EIを発生する電圧源
となる。
【0007】ところで、電流検出回路10は負荷電流I
Lから補償電流を決定する回路、つまり補償電流基準IC
*を検出する回路である。次に、その動作を詳細に説明
する。PLL回路10aは、系統電圧に同期した角速度
θ(基本波の周波数)を検出する。3φ/2φ変換回路
10bは、電流変成器5により検出した負荷電流I
Lを、角速度θに基づきdq座標系の2相信号(id,i
q)に変換する。 id=(2/3)[iLasinθ+iLbsin{θ-(2/3)π}+iLcsin{θ-(4/
3)π}] iq=(2/3)[iLacosθ+iLbcos{θ-(2/3)π}+iLccos{θ-(4/
3)π}] dは基準となるθとの位相差成分を意味し、qはθとの
同相成分を意味する。
【0008】ここで、dq変換は、角速度θの直流成分
を求めるものである。すなわち、上記の式は、3相交流
を各交流成分に分解し2相交流に変換し、さらに角速度
θに基づき静止座標を回転座標に変換するものである。
これを、図4を用いて説明する。同図(a)に示す3相固
定座標uvwにおける3相交流i(i,i,i
は、同図(b)に示す2相固定座標αβにおける2相交流
i(iα,iβ)に変換される。この2相固定座標αβ
では、2相交流iは回転している。そこで、2相固定座
標αβを、同図(c)に示す2相回転座標dqに変換する
ことにより、2相交流iを2相座標dqにおいて静止さ
せることができる。つまり、i、iは直流である。
なお、同様にして角速度nθについても、その直流成分
を求めることができる。
【0009】3φ/2φ変換回路10bの出力id、iq
のうち、idは角速度θの信号に対する位相差に対応す
る。一方、iqは同相成分に対応する。このとき、回転
座標変換の基準となるθとベクトル(id,iq)の位相
差をφとすると、図5に示すようになる。
【0010】フィルタ10cは、この2相信号(id
q)を平滑化する回路であり、ハイパスフィルタ(H
PF)を用いることにより基本波以外の高調波成分id
を抽出することができる。そして、フィルタ10cの出
力と角速度θに基づき2φ/3φ変換回路10dが3相
信号に変換する。 ica*=id・cosθ+iq・sinθ icb*=id・cos(θ-2/3π)+iq・sin(θ-2/3π) icc*=id・cos(θ-4/3π)+iq・sin(θ-4/3π) このようにして、電流検出回路10は補償電流基準IC*
(高調波成分に対する補償量)を出力する。この補償電
流基準IC*に基づき補償電流ICを発生させる。
【0011】次に、具体的な波形を例にとって説明す
る。図3は、整流器負荷を想定した場合の動作波形であ
る。図3(a)に示す負荷電流ILは、電流変成器5により
検出される。ところで、負荷電流ILは、基本波成分I1
(図の点線波形)と高調波成分(図の斜線部)に分離で
き、高調波成分は図3(b)に示す波形IHとなる。アクテ
ィブフィルタ6はこの高調波成分IHを除去するため、
電流検出回路10により高調波成分IHを検出し(補償
電流基準IC*)、高調波成分IHと逆位相の図3(c)の電
流ICを、電源系統から流入させるように自励式インバ
ータ8を動作させる。このことにより、電流IHは電流
Cにより相殺され、電源側では図3(d)に示すように基
本波成分のみの正弦波電流ISとなる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】従来のアクティブフィ
ルタ装置は、以上のように構成されており、基本波以外
の高調波を除去することができる。しかし、高次の高調
波に対しては、アクティブフィルタ装置6の制御系の無
駄時間により位相余裕がなくなり、制御が不安定になる
ことがあった。
【0013】また、図2に示すように、補償対象負荷2
に容量性負荷4が含まれている場合、これと電源側リア
クタンスとの間に反共振(並列共振)が生じ、そのため
高調波拡大可能性(負荷電流に含まれる反共振角周波数
成分に対し、アクティブフィルタ装置が補償を行おうと
して、制御系が不安定になること)があった。つまり、
アクティブフィルタ装置6が、前記反共振点の高調波を
補償する場合、反共振点において位相が急激に変化する
こと及びアクティブフィルタ装置6の制御系に無駄時間
があることにより位相余裕がなくなり、制御が発散し、
運転できなかった。
【0014】したがって、反共振周波数近傍等の高次の
高調波電流に対し、アクティブフィルタ装置によらず、
パッシブフィルタを用いることなどにより、これを吸収
する必要があり、アクティブフィルタ装置とパッシブフ
ィルタとの組み合わせによるシステム構成となり、装置
が高価になるなどの問題点があった。
【0015】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたもので、基本波を含む任意の高調波成
分について補償電流基準を求め、制御することにより、
高次の高調波に対して安定に制御可能であり、さらに、
補償対象負荷が容量性負荷により反共振点をもつ場合で
も、安定に制御でき、構成が簡単で、かつ安価なアクテ
ィブフィルタ装置を得ることを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】請求項1に係るアクティ
ブフィルタ装置は、補償電流基準検出回路を、負荷電流
の基本波を含む任意の高調波成分について、それぞれ3
相電流を2相電流に変換し、フィルタにより平滑化し、
2相電流を3相電流に変換し、3相に変換された電流に
対し位相補償を行う複数の補償電流基準検出手段と、上
記複数の補償電流基準検出手段の出力を合成する合成手
段とから構成したものである。
【0017】請求項2に係るアクティブフィルタ装置
は、補償電流基準検出回路を、負荷電流の基本波を含む
任意の高調波成分について、それぞれ3相電流を2相電
流に変換し、フィルタにより平滑化し、2相電流を3相
電流に変換し、3相に変換された電流に対し利得補償を
行う複数の補償電流基準検出手段と、上記複数の補償電
流基準検出手段の出力を合成する合成手段とから構成し
たものである。
【0018】
【作用】請求項1の発明においては、複数の補償電流基
準検出手段が、負荷電流の基本波を含む任意の高調波成
分について、それぞれ3相電流を2相電流に変換し、フ
ィルタにより平滑化し、2相電流を3相電流に変換し、
3相に変換された電流に対し位相補償を行い、合成手段
が、上記複数の補償電流基準検出手段の出力を合成す
る。
【0019】請求項2の発明においては、複数の補償電
流基準検出手段が、負荷電流の基本波を含む任意の高調
波成分について、それぞれ3相電流を2相電流に変換
し、フィルタにより平滑化し、2相電流を3相電流に変
換し、3相に変換された電流に対し利得補償を行い、合
成手段が、上記複数の補償電流基準検出手段の出力を合
成する。
【0020】
【実施例】
実施例1.以下、この発明の実施例1を図に基づいて説
明する。図1は、この発明のアクティブフィルタ装置の
一部である電流検出回路10を示す図である。この発明
のアクティブフィルタ装置において、この電流検出回路
10以外の構成は従来例の場合と同じであり、それらの
表示は省略している。
【0021】図1において、10aは系統電圧に同期し
た基本波、第2次高調波、・・・、第n次高調波の角速
度(位相角)θ1、θ2、・・・、θn(=kθ、k=
1,2,・・・、以下kを次数という)を検出し、基本
波処理回路10p1、第2高調波処理回路10p2、・
・・、第n高調波処理回路10pnに対し、それぞれ出
力するためのPLL回路である。
【0022】図1は、便宜上、基本波処理回路10p1
と、第n次高調波処理回路10pnのみを示している。
以下において、基本波処理回路10p1及び第n次高調
波処理回路10pnについて説明するが、他の第2次高
調波処理回路10p2、・・・についても同様である。
図1において、10b1、10bnは、電流変成器5a
により検出した3相信号の基本波及び第n次高調波を、
角速度θ1(=θ)及び角速度θn(=n・θ)に基づ
き、それぞれ2相信号(id1,iq1)(idn,iqn)に
変換する3φ/2φ変換回路、10c1、10cnは3
φ/2φ変換回路10b1、10bnの出力の2相信号
(id1,iq1)(idn,iqn)をそれぞれ平滑化するロ
ーパスフィルタ回路(LPF)、10d1、10dnは
平滑化された2相信号(id1’,iq1’)(idn’,i
qn’)を、角速度θ及び角速度nθに基づき、3相信号
L1、ILnに変換する2φ/3φ変換回路、10e1、
10enは、基本波及び第n次高調波に対し、位相余裕
を確保するように位相を補償し、信号(IL1’、
Ln’)を出力する位相補償回路である。
【0023】3φ/2φ変換回路10b1、フィルタ回
路10c1、2φ/3φ変換回路10d1、位相補償回
路10e1は基本波処理回路10p1を構成する。同様
に、3φ/2φ変換回路10bn、フィルタ回路10c
n、2φ/3φ変換回路10dn、位相補償回路10e
nは第n次高調波処理回路10pnを構成する。
【0024】21は基本波処理回路10p1、・・・、
第n次高調波処理回路10pnの位相補償回路10e
1、・・・、10enの出力IL1'、・・・、ILn'を加
算、合成し補償電流基準IC*として出力する加算器で
ある。この補償電流基準IC*は図2の加減算器11に
入力される。これに基づき補償電流ICが制御される点
は、従来例の図2の場合と同じである。
【0025】次に動作について説明する。図1の補償電
流検出回路10は、基本波、高調波の各次数の電流成分
を取り出し、それぞれの次数の電流成分に対して位相補
償を行い、高次の高調波、あるいは反共振点(並列共振
点)の高調波成分に対して位相余裕を作り出したうえで
補償電流Ic*を出力する。
【0026】位相余裕とは、フィードバック制御系の開
ループ周波数特性において、その利得が1になったと
き、この位相角に180度を加えたもの(φ=180°+
θ)である。その値φによって安定度が概ね定まり、φ
>0のとき安定となる。
【0027】図2において説明した従来技術の部分は、
同様に動作するので説明を省略する。図1の電流検出回
路10において、PLL回路10aは、系統電流に基づ
き、その角速度θ1(基本波の周波数θ)を検出すると
ともに、その高調波の角速度θ2、・・・、θnを検出
し、基本波処理回路10p1、・・・、第n次高調波処
理回路10pnに供給する。
【0028】基本波処理回路10p1の3φ/2φ変換
回路10b1は、3相負荷電流IL(ILA,ILB
LC)を、PLL回路10aにより求めた基本波の角速
度θ1に基づき2相信号(id1,iq1)に変換する。 id1=(2/3)[iLasinθ1+iLbsin{θ1-(2/3)π}+iLcsin{θ
1-(4/3)π}] iq1=(2/3)[iLacosθ1+iLbcos{θ1-(2/3)π}+iLccos{θ
1-(4/3)π}] 同様に、第n次高調波処理回路10pnの3φ/2φ変
換回路10bnは、負荷電流ILから第n次高調波成分
を取り出すために、上式のθ1の代わりに、n次の角速
度(位相角)θn(=n・θ)を用いて3φ/2φ変換
10bを行い、2相電流(idn,iqn)を検出する。
【0029】これら2相信号(id1,iq1)(idn,i
qn)は、ローパスフィルタ(LPF)10c1、10c
nにより、不要なリップルが取り除かれ、各次数の2相
信号(id1’,iq1’)(idn’,iqn’)となる。
これらを、2φ/3φ変換回路10d1、10dnにお
いて、角速度θ1、θnに基づき、再び3相交流信号(I
L1、ILn)に変換する。 Ica*=id・cosθk+iq・sinθkcb*=id・cos(θk-2/3π)+iq・sin(θk-2/3π) icc*=id・cos(θk-4/3π)+iq・sin(θk-4/3π) (k=1,・・・,n) そして、これらの信号(IL1,ILn)を位相補償回路1
0e1、10enに通すことにより、アクティブフィル
タ装置6の有する遅れ要素を、その次数ごとに補償した
信号(IL1’、ILn’)を作る。そして、加算器21に
より合成して(IL1’+・・・+ILn’)、補償電流基
準(IC*)を作成する。
【0030】位相補償回路10eは、例えば次のような
伝達関数をもつものを用いる。 G(s)=K(1+sTa)/(1+sTb) ここで、Kは比例ゲイン、Taは折点aを定める時定
数、Tbは折点bを定める時定数、sはラプラス演算子
である。
【0031】伝達関数G(s)は、1/Ta<1/Tb
とき位相進み補償となり、1/Tb<1/Taのとき位相
遅れ補償となる。したがって、パラメータTa、Tbを適
当に選択することにより所望の位相補償を行うことがで
きる。
【0032】すなわち、位相補償回路10eにおいて、
各次数の高調波ごとに位相余裕が得られるように、すな
わち、フィードバック制御系の開ループ周波数特性にお
いて、φ>0(φ=180°+θ、θは利得が1のときの
位相角)となるように、アクティブフィルタ装置6の遅
れ時間に対応して位相補償を行う。例えば、遅れ時間e
xp(−Ts)であるとき、次数nの高調波に対して
は、n・2πfT以上(f:基本周波数)だけ位相を進
めるように位相補償を行う。
【0033】同様に、反共振角周波数θr(nθ<θr
(n+1)θ)に対して、位相余裕を得るように位相補
償を行う。
【0034】以上のように、この実施例1によれば、位
相補償回路10e1、・・・、10enにより、各次数
ごとにアクティブフィルタ装置の無駄時間を補償するこ
とにより、高調波を補償する場合でも、制御が安定す
る。さらに、反共振角周波数が複数個存在する場合で
も、各次数ごとに位相余裕を作り出すことができ、制御
系の安定を保つことができる。
【0035】実施例2.なお、上記の実施例1の説明に
おいて、位相補償回路10e1、・・・、10enにお
いてILnの位相を補償したが、利得補償回路により位相
に代えて、高調波ごとに利得を調整するようにしてもよ
い。例えば、利得K=0としたとき、その出力=0にな
るから、その次数の周波数に対して制御は行われず、し
たがって制御が不安定になることもない。
【0036】このように、位相補償により位相余裕を作
り出す代わりに、高次数の高調波、または反共振周波数
の近傍の高調波に対する利得(ゲイン)を調整すること
によりゲイン余裕を作り出し、制御系を安定化してもよ
く、同様の効果を奏する。
【0037】実施例3.なお、上記説明において、基本
波とn次高調波成分との組み合わせ、すなわち基本波に
ついて位相補償を行うとともに、n次高調波について位
相補償を行う場合について説明したが、高調波同士(例
えば2次高調波と3次高調波)の組み合わせについても
適用し、制御を不安定にするおそれのある高調波につい
てのみ処理をするようにしてもよい。また利得補償を行
う場合でも同様である。
【0038】
【発明の効果】以上のように請求項1及び請求項2の発
明によれば、補償電流基準検出回路を、負荷電流の任意
の高調波成分について、それぞれ3相電流を2相電流に
変換し、フィルタにより平滑化し、2相電流を3相電流
に変換し、3相に変換された電流に対し位相補償あるい
は利得補償を行う複数の補償電流基準検出手段と、上記
複数の補償電流基準検出手段の出力を合成する合成手段
とから構成したので、各次数ごとに位相補償あるいは利
得補償を行い、位相余裕を確保することができ、安定な
制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例1のアクティブフィルタ装置
の補償電流基準検出回路の構成を示す図である。
【図2】従来のアクティブフィルタ装置の構成を示す図
である。
【図3】従来のアクティブフィルタ装置の動作波形を示
す図である。
【図4】従来のアクティブフィルタ装置の動作原理を説
明するための図である。
【図5】従来のアクティブフィルタ装置の動作原理を説
明するための図である。
【符号の説明】
10 電流検出回路 10a PLL回路 10b 3相/2相(3φ/2φ)変換回路 10c フィルタ回路 10d 2相/3相(2φ/3φ)変換回路 10e 位相補償回路 21 可減算器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電源及びこの電源に接続される補償対象
    負荷からなる系統に接続され、補償電流基準検出回路に
    より上記補償対象負荷に流れる負荷電流の高調波成分を
    検出し、補償電流基準を求め、上記補償電流基準に基づ
    き補償電流を上記系統へ送出することにより、上記高調
    波成分を抑制するアクティブフィルタ装置において上記
    補償電流基準検出回路を、上記負荷電流の基本波を含む
    任意の高調波成分について、それぞれ3相電流を2相電
    流に変換し、フィルタにより平滑化し、2相電流を3相
    電流に変換し、3相に変換された電流に対し位相補償を
    行う複数の補償電流基準検出手段と、上記複数の補償電
    流基準検出手段の出力を合成する合成手段とから構成し
    たことを特徴とするアクティブフィルタ装置。
  2. 【請求項2】 電源及びこの電源に接続される補償対象
    負荷からなる系統に接続され、補償電流基準検出回路に
    より上記補償対象負荷に流れる負荷電流の高調波成分を
    検出し、補償電流基準を求め、上記補償電流基準に基づ
    き補償電流を上記系統へ送出することにより、上記高調
    波成分を抑制するアクティブフィルタ装置において上記
    補償電流基準検出回路を、上記負荷電流の基本波を含む
    任意の高調波成分について、それぞれ3相電流を2相電
    流に変換し、フィルタにより平滑化し、2相電流を3相
    電流に変換し、3相に変換された電流に対し利得補償を
    行う複数の補償電流基準検出手段と、上記複数の補償電
    流基準検出手段の出力を合成する合成手段とから構成し
    たことを特徴とするアクティブフィルタ装置。
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