KR101078122B1

KR101078122B1 - 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치

Info

Publication number: KR101078122B1
Application number: KR1020100024845A
Authority: KR
Inventors: 김영준
Original assignee: 김영준
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-28
Also published as: KR20110105611A

Abstract

본 발명의 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치는 단상 유도전동기를 온/오프시키기 위한 구동 스위치; 상기 구동 스위치가 온되어 전류가 흐르면 접점을 클로즈시켜 단상 유도 전동기를 구동시키는 전자식 개폐기; 접점이 상기 전자식 개폐기에 연결되어 있고 제어신호에 따라 과부하시 접점을 스위칭하는 과부하 계전기; 상기 보조권선에 직렬로 연결되어 보조권선에 흐르는 전류를 단속하는 트라이악; 제어신호에 따라 상기 트라이악을 구동하는 트라이악 구동부; 기동 스위치 내부의 0점 전압과 0점 전류를 검출하는 영점 전압/전류 검출부; 기동 스위치에서 필요로 하는 직류전원을 공급하는 전원부; 상기 보조권선에 유기된 전압을 검출하는 유기전압 검출부; 과부하 문턱치를 설정하는 과부하 문턱치 설정부; 및 상기 영점 전압/전류 검출부의 입력신호와 상기 유기전압 검출부의 입력신호에 따라 기동완료 여부를 판단하여 상기 트라이악 구동부를 제어하여 기동동작을 처리하고, 기동 완료 후 상기 과부하 문턱치 설정부의 설정값과 상기 유기전압 검출부의 검출신호를 비교하여 과부하를 감시하다가 과부하가 검출되면 상기 과부하 계전기를 제어하여 과부하를 처리하고, 과부하 발생 후 내부 타이머를 구동하여 일정시간 후 자동으로 복귀를 처리하는 마이컴으로 구성된다.

Description

과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치{ ELECTRONIC STARTING RELAY HAVING OVERLOAD PROTECTION FUNCTION FOR SINGLE PHASE INDUCTION MOTOR }

본 발명은 단상 유도전동기를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 전자식 기동 스위치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과부하 보호회로 동작 후에도 자동으로 복귀가 가능하여 사용이 편리하도록 된 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치에 관한 것이다.

일반적으로, 단상 유도전동기는 고정자 권선이 단상이기 때문에 회전자계가 발생되지 않으나 회전자가 한번 돌기 시작하면 유도토크가 발생되어 고정자의 맥동 자계(Standing wave)에 따라 회전자가 동기속도로 회전하게 된다. 따라서 단상 유도전동기는 초기에 자계의 평형상태를 불균형 상태로 만들어 주어 기동토크를 얻기 위한 기동방법이 필요하다.

단상 유도전동기는 기동토크를 얻기 위한 기동방법에 따라 분상(split-phase) 전동기, 콘덴서 전동기, 세이딩-폴(Shading-Pole) 전동기로 구분된다. 분상 전동기는 기동권선을 운전권선에 병렬로 연결하여 기동권선과 운전권선의 임피던스 차에 따른 위상차를 발생시켜 기동하는 방식이다. 콘덴서 전동기는 기동권선(start winding)에 콘덴서(capacitor)를 직렬로 삽입하여 분상 전동기보다 큰 기동토크를 얻을 수 있는 전동기로서, 기동권선에 삽입된 콘덴서에 의해 공급전류의 위상이 변화되어 기동권선에 흐르게 됨으로서 전자력의 평형상태가 깨져 기동토크를 얻게 된다. 그리고 회전자가 회전하기 시작하여 일정 회전수까지 속도가 상승하게 되면, 분상 전동기나 콘덴서 전동기는 원심 스위치(centrifugal switch)에 의해 기동권선이나 콘덴서를 분리하여 정상 운전하게 된다.

그런데 기계식 원심 스위치는 진동에 취약하고 잦은 스위칭 시 아크 발생으로 인해 기계적/전기적 마모로 특성이 저하되는 단점이 있어 점차 전자식 계전기가 사용되고 있다. 단상 유도전동기용 전자식 계전기는 기동권선에 트라이악과 같은 전력용 반도체 스위칭 소자를 직렬로 연결하고 제어회로로 반도체 스위칭 소자를 제어하여 기동시에만 기동권선에 전류가 흐르게 하는 것이다.

종래의 전자식 계전기는 단순히 기동권선에 유기된 전압의 크기만으로 기동 완료시점을 판단하여 제어하므로 전동기의 규격과 설치조건에 따라 특성이 달라져 호환성이 떨어지고 기동 실패율이 높은 문제점이 있다. 또한 종래의 전자식 계전기는 과부하 보호기능이 없거나 과부하 보호회로가 작동되는 경우 전원이 완전히 차단되어 자동 복귀가 불가능하여 운영자가 현장에 방문하여 수동으로 복귀시켜야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 과부하 보호회로 동작 후에도 자동으로 복귀가 가능하여 사용이 편리한 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 고정자에 주권선과 보조권선이 감겨 있으며, 보조권선에는 기동용 콘덴서가 직렬로 연결되어 있는 단상 유도 전동기에 있어서, 상기 단상 유도전동기를 온/오프시키기 위한 구동 스위치; 상기 구동 스위치가 온되어 전류가 흐르면 접점(MC-1,MC-2)을 클로즈(Close)시켜 단상 유도 전동기를 구동시키는 전자식 개폐기; 접점이 상기 전자식 개폐기에 연결되어 있고 제어신호에 따라 과부하시 접점을 스위칭하는 과부하 계전기; 상기 보조권선에 직렬로 연결되어 보조권선에 흐르는 전류를 단속하는 트라이악; 제어신호에 따라 상기 트라이악을 구동하는 트라이악 구동부; 기동 스위치 내부의 0점 전압과 0점 전류를 검출하는 영점 전압/전류 검출부; 기동 스위치에서 필요로 하는 직류전원을 공급하는 전원부; 상기 보조권선에 유기된 전압을 검출하는 유기전압 검출부; 과부하 문턱치를 설정하는 과부하 문턱치 설정부; 및 상기 영점 전압/전류 검출부의 입력신호와 상기 유기전압 검출부의 입력신호에 따라 기동완료 여부를 판단하여 상기 트라이악 구동부를 제어하여 기동동작을 처리하고, 기동 완료 후 상기 과부하 문턱치 설정부의 설정값과 상기 유기전압 검출부의 검출신호를 비교하여 과부하를 감시하다가 과부하가 검출되면 상기 과부하 계전기를 제어하여 과부하를 처리하고, 과부하 발생 후 내부 타이머를 구동하여 일정시간 후 자동으로 복귀를 처리하는 마이컴으로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 반도체 접점 및 최대토크 감지를 이용한 기동권선 분리 전원전압과 유기전압간의 위상비교를 해 과부하구속 상태를 정확하게 확인할 수 있고, 과부하 보호를 위한 위상차이 값 설정이 용이하며, 과부하 동작 시 과부하 상태를 표시함과 아울러 과부하 보호 동작 시에도 기동스위치 전원을 공급하여 단상 모터의 자동복귀가 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 과부하 보호 설정 방법이 매우 간단하여 단일 모델로 대부분의 단상 전동기에 손쉽게 설정할 수 있고, 결선방법이 간단하고, 하나의 기동 스위치로 전동기 기동은 물론 과부하 보호 기능까지 포함하여 배전반 공간활용 및 비용절감 효과가 우수한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 기동 스위치가 적용된 단상 유도전동기에서 전원 오프 상태의 구동회로를 도시한 회로도,
도 2는 본 발명의 기동 스위치가 적용된 단상 유도전동기에서 전원 온 상태의 구동회로를 도시한 회로도,
도 3은 본 발명의 기동 스위치가 적용된 단상 유도전동기에서 과부하 상태의 구동회로를 도시한 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치의 동작 절차를 도시한 순서도이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 기동 스위치가 적용된 단상 유도전동기에서 전원 오프 상태의 구동회로를 도시한 회로도이고, 도 2는 본 발명의 기동 스위치가 적용된 단상 유도전동기에서 전원 온 상태의 구동회로를 도시한 회로도이며, 도 3은 본 발명의 기동 스위치가 적용된 단상 유도전동기에서 과부하 상태의 구동회로를 도시한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 단상 유도전동기는 회전자와 고정자로 이루어지고, 고정자에는 주권선(Main Coil: 102)과 보조권선(AUX. Coil: 104)이 감겨 있으며, 콘덴서 기동형의 경우 보조권선(104)에는 기동용 콘덴서(CS:106)가 직렬로 연결되어 있다. 또한 단상 유도전동기는 단상 유도전동기를 온/오프시키기 위한 구동 스위치(110)와 전자식 개폐기(MC: 112)의 일단이 직렬로 연결되어 있으며, 전자식 개폐기(112)의 타단에는 과부하 보호용 접점(114c)이 연결되어 단상 입력 전원 선로(L1,L2)와 연결된다. 그리고 단상 유도전동기의 주권선(102)은 전자식 개폐기(112)의 양 접점(MC-1,MC-2)을 통해 단상 입력 전원 선로(L1,L2)와 연결되어 구동 스위치(110)가 온(ON)된 경우에 양 접점(MC-1,MC-2)이 클로즈(Close)되어 단상 전원을 입력받도록 되어 있다.

그리고 본 발명에 따라 과부하 보호기능을 갖는 전자식 기동 스위치는 보조권선(104)에 직렬로 연결되어 보조권선(104)에 흐르는 전류를 단속하는 트라이악(108)과, 제어신호에 따라 트라이악(108)을 구동하는 트라이악 구동부(122)와, 기동 스위치 내부의 0점 전압과 0점 전류를 검출하는 영점 전압/전류 검출부(124)와, 기동 스위치에서 필요로 하는 직류전원을 공급하는 전원부(126)와, 기동 스위치 내부의 유기전압을 검출하는 유기전압 검출부(128)와, 과부하 문턱치(OL-Set)를 설정하는 과부하 문턱치 설정부(116)와, 제어신호에 따라 과부하 상태를 표시하는 LED(118: OL-Led)와, 제어신호에 따라 과부하시 접점(114c)을 스위칭하는 과부하 계전기(114)와, 평활 콘덴서(120)와, 영점 전압/전류 검출부(124)의 입력신호와 유기전압 검출부(128)의 입력신호에 따라 기동완료 여부를 판단하여 트라이악 구동부(122)를 제어함으로써 기동동작을 처리하고, 기동 완료 후 과부하 문턱치 설정부(116)의 설정값과 유기전압 검출부(128)의 검출신호를 비교하여 과부하 여부를 감시하다가 과부하가 검출되면 과부하 LED(118)로 과부하 상태를 표시함과 아울러 과부하 계전기(114)를 제어하여 과부하를 처리하고 과부하 발생 후 내부 타이머를 구동하여 일정시간 후 자동으로 복귀를 처리하는 마이컴(130)으로 구성된다.

도 2를 참조하면, 구동 스위치(110)를 온시키면, 전원선로(L1), 구동스위치(110), 전자식 개폐기 코일(MC), 과부하 계전기 접점(114c), 전원선로(L2)를 통해 전류가 흘러 전자식 개폐기(110)의 코일(MC)이 여자되어 전자식 개폐기 접점 MC-1과 MC-2가 클로즈되고, 이에 따라 주권선(102)에 단상 교류전원이 인가됨과 아울러 트라이악(108)이 온되면 기동 콘덴서(106)와 트라이악(108)을 통해 보조권선(104)에도 전원이 인가되어 기동 동작이 이루어지게 된다. 기동이 완료되면 트라이악(108)은 오프되어 주권선(102)에 의해 단상 유도전동기는 정상운전하게 되고, 보조권선(104)에 유기된 전압은 유기전압 검출부(128)를 통해 마이컴(130)으로 입력되어 과부하 여부를 감시하게 된다.

과부하가 검출되면, 도 3에 도시된 바와 같이 마이컴(130)이 과부하 계전기(114)를 작동시키게 되고, 이에 따라 전자식 개폐기(112)에 연결된 과부하 계전기의 접점(114c)이 "OL-C -> OL-B" 에서 "OL-C -> OL-A"로 스위칭되어 전자식 개폐기(112)의 코일(MC)에 전류가 흐르지 못하게 되고, 이에 따라 전자식 개폐기의 접점 MC-1과 MC-2가 오픈되어 단상 유도전동기의 주권선(102)에 흐르는 전류가 차단됨으로써 단상 유도전동기는 정지하게 된다.

그리고 본 발명에 따라 과부하 계전기의 접점(114c)이 "OL-C -> OL-B" 에서 "OL-C -> OL-A"로 스위칭될 경우에도 전원부(126)의 일단은 전원선로(L1), 구동스위치(110), 전자식 개폐기 코일(MC), 과부하 계전기 접점 "OL-C -> OL-A"로 연결되고 타단은 전원선로(L2)와 연결되어 계속 단상 교류전원이 공급되게 되고, 이에 따라 전원부(126)는 계속하여 기동 스위치에서 필요로 하는 직류전원을 공급함으로써 마이컴(130)이 계속 동작하게 된다. 그리고 마이컴(130)은 과부하 발생시 내부의 타이머를 동작시켜 카운트하다가 일정한 시간(자동 복귀시간)이 경과하면 과부하 계전기(114)를 오프시키게 되고, 이에 따라 전자식 개폐기(112)에 연결된 과부하 계전기의 접점(114c)이 "OL-C -> OL-A"에서 "OL-C -> OL-B"로 스위칭되어 전자식 개폐기의 코일(MC)이 여자되고, 이어서 전자식 개폐기(112)의 접점 MC-1과 MC-2가 클로즈되어 단상 유도전동기의 주권선(102)과 보조권선(104)에 단상 교류전원을 인가함으로써 복귀 동작이 자동으로 이루어지게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 기동 스위치의 마이컴(130)은 디지털 입출력단자와, 아날로그 입출력단자, EEPROM, 타이머 등이 내장되어 있는데, 다음 표1과 같이 입출력신호를 통해 후술하는 바와 같은 기동 및 과부하 보호 알고리즘을 수행하여 전체 동작을 제어한다.

순번	단자명	기 능
1	IN1	영점 전압/전류 검출부의 출력을 입력받음
2	IN2	유기전압 검출부의 출력을 입력받음
3	IN3	과부하 문턱치 설정값을 입력받음
4	OUT1	트라이악 제어신호 출력
5	OUT2	과부하 계전기 제어신호 출력
6	OUT3	과부하 LED 점등 제어신호 출력

상기 표1을 참조하면, 마이컴(130)은 제1입력단자(IN1)를 통해 영점 전압/전류 검출부(124)의 출력을 입력받음과 아울러 제2입력단자(IN2)를 통해 보조권선(104)에 유기된 전압을 입력받아 유기전압의 변동비로 기동토크를 유추하여 기동완료시점을 판단하고, 제3입력단자(IN3)를 통해 과부하 문턱치 설정부(116)의 설정값을 입력받는다. 또한 마이컴(130)은 제1입력단자(IN1)와 제2입력단자(IN2)로 입력된 신호로 기동 완료 여부를 판단한 후 기동이 완료되면 제1출력단자(OUT1)를 통해 트라이악(108)을 오프시키기 위한 제어신호를 트라이악 구동부(122)로 출력하고, 정상운전 중에는 제2입력단자(IN2)를 통해 입력된 신호와 제3입력단자(IN3)를 통해 설정된 과부하 문턱치 설정값을 비교하여 입력신호가 과부하 문턱치 설정값에 가까워지면 제3출력단자(OUT3)를 통해 과부하 LED(118)를 점멸하다가 일정시간이 지나면 과부하로 판단하여 제2출력단자(OUT2)를 통해 과부하 계전기(114)를 동작시켜 과부하 접점(114c)을 스위칭하여 단상 유도전동기의 동작을 중지시키고, 내부 타이머를 구동하여 자동 복귀시간이 경과하면 다시 과부하 계전기(114)를 오프시켜 과부하 계전기 접점(114c)을 스위칭하여 복귀 절차를 수행하고 제3출력단자(OUT3)를 통해 과부하 LED(118)를 소등시킨다.

이어서, 본 발명에 따라 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치의 동작 절차를 도시한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전자식 기동 스위치가 적용된 단상유도전동기의 구동스위치(110)를 온시키면, 전원선로(L1), 구동스위치(110), 전자식 개폐기 코일(MC), 과부하 계전기 접점(114c), 전원선로(L2)를 통해 전류가 흘러 전자식 개폐기(110)의 코일(MC)이 여자되어 전자식 개폐기 접점 MC-1과 MC-2가 클로즈되고, 이에 따라 주권선(102)에 단상 교류전원이 인가됨과 아울러 트라이악(108)이 온되면 기동 콘덴서(106)와 트라이악(108)을 통해 보조권선(104)에도 전원이 인가되어 기동 동작이 이루어지게 된다(S1~S3).

본 발명에 따른 기동 스위치의 기동동작은 초기에 전동기를 동작시키기 위한 선로전원이 온되면, 마이컴(MCU: 130)은 영점 전압/전류 검출부(124)의 출력신호를 IN1 단자로 감지하여 트라이악(108) 양단의 0점 전압을 확인(Zero voltage detection)한 후, 트라이악 구동부(122)에 OUT1단자로 트라이악 게이트 제어용 트리거 펄스 신호를 출력한다. 마이컴(130)의 출력(OUT1)에 의해 트라이악(108)은 0점 전압에서 온(On) 상태가 되고, 이에 따라 보조권선(104)에는 주권선(102)보다 위상이 앞선 전류가 흐르게 되면서 위상차에 따른 회전력이 발생되어 기동이 개시된다.

단상 유도전동기가 기동을 개시하여 회전자가 회전하기 시작하면 회전자권선에 흐르는 전류에 의한 자속이 발생하고, 이 자속에 의해 보조권선(104)에 전압이 유기되며 이 유기전압은 회전속도에 비례하여 증가하다가 전동기가 동기속도에 가까워져 기동을 완료하면 기동권선의 유기전압은 일정하게 된다. 본 발명에서 보조권선(104)의 유기전압은 유기전압 검출부(128)에서 검출되어 IN2단자를 통해 마이컴(130)으로 입력된다.

마이컴(MCU;130)은 전동기의 가속도에 비례하는 유기전압의 변동비를 계산하여 전동기의 기동토크가 최대가 되는 시점을 확인한 후, 전동기의 기동토크가 급격히 감소하기 시작하면 영점 전압/전류 검출부(124)를 통해 영전압 상태에서 트라이악 구동부(122)를 제어하여 트라이악(108)이 Off 상태가 되게 하며, 이에 따라 보조권선(104)에 인가되는 전원이 차단된다.

마이컴(130)은 전동기의 기동이 완료된 후 정상운전시에 전동기의 회전속도에 비례하는 기동권선 유기전압을 IN2 단자로 입력받아 과부하를 감시한다(S4~S6).

마이컴(130)은 정상운전 중에 제2입력단자(IN2)를 통해 입력된 신호와 제3입력단자(IN3)를 통해 설정된 과부하 문턱치 설정값을 비교하여 입력신호가 과부하 문턱치 설정값에 가까워지면 제3출력단자(OUT3)를 통해 과부하 LED(118)를 점멸하다가 일정시간이 지나면 과부하로 판단하여 제2출력단자(OUT2)를 통해 과부하 계전기(114)를 동작시켜 과부하 접점(114c)을 스위칭하여 단상 유도전동기의 동작을 중지시킨다(S7~S11).

그리고 과부하가 검출되면 마이컴(130)은 내부 타이머를 구동하여 자동 복귀시간이 경과하면 다시 과부하 계전기(114)를 오프시켜 과부하 계전기 접점(114c)을 스위칭하여 복귀 절차를 수행하고, 제3출력단자(OUT3)를 통해 과부하 LED(118)를 소등시킴과 아울러 재기동 절차를 수행한다(S12~S15).

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

102: 주권선 104: 보조권선
106: 기동 콘덴서 108: 트라이악
110: 구동 스위치 112: 전자식 개폐기
114: 과부하 계전기 116: 과부하 문턱치 설정부
118: 과부하 LED 120: 평활 콘덴서
122: 트라이악 구동부 124: 영점 전압/전류 검출부
126: 전원부 128: 유기전압 검출부
130: 마이컴

Claims

고정자에 주권선(Main Coil: 102)과 보조권선(AUX. Coil: 104)이 감겨 있으며, 보조권선(104)에는 기동용 콘덴서(CS:106)가 직렬로 연결되어 있는 단상 유도 전동기의 전자식 기동 스위치에 있어서,
상기 단상 유도전동기를 온/오프시키기 위한 구동 스위치(110);
상기 구동 스위치(110)가 온되어 전류가 흐르면 접점(MC-1,MC-2)을 클로즈(Close)시켜 단상 유도 전동기를 구동시키는 전자식 개폐기(112);
접점이 상기 전자식 개폐기(112)에 연결되어 있고 제어신호에 따라 과부하시 접점을 스위칭하는 과부하 계전기(114);
상기 보조권선(104)에 직렬로 연결되어 보조권선(104)에 흐르는 전류를 단속하는 트라이악(108);
제어신호에 따라 상기 트라이악(108)을 구동하는 트라이악 구동부(122);
상기 전자식 기동 스위치 내부의 0점 전압과 0점 전류를 검출하는 영점 전압/전류 검출부(124);
상기 전자식 기동 스위치에서 필요로 하는 직류전원을 공급하는 전원부(126);
상기 보조권선에 유기된 전압을 검출하는 유기전압 검출부(128);
과부하 문턱치를 설정하는 과부하 문턱치 설정부(116); 및
상기 영점 전압/전류 검출부(124)의 입력신호와 상기 유기전압 검출부(128)의 입력신호에 따라 기동완료 여부를 판단하여 상기 트라이악 구동부(122)를 제어하여 기동동작을 처리하고, 기동 완료 후 상기 과부하 문턱치 설정부(116)의 설정값과 상기 유기전압 검출부의 검출신호를 비교하여 과부하를 감시하다가 과부하가 검출되면 상기 과부하 계전기(114)를 제어하여 과부하를 처리하고, 과부하 발생 후 내부 타이머를 구동하여 일정시간 후 자동으로 복귀를 처리하는 마이컴(130);으로 구성되되,
상기 전원부(126)는,
정상시에는 전자식 개폐기의 접점(MC-1)을 거쳐 단상 교류전원을 입력받다가 과부하시에는 과부하 계전기의 접점(114c)을 거쳐 단상 교류전원을 입력받는 것을 특징으로 하는 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치.
제1항에 있어서, 상기 전자식 기동 스위치는
제어신호에 따라 과부하 상태를 표시하는 LED(118)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 과부하 보호기능을 갖는 단상 유도전동기용 전자식 기동 스위치.
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