WO2001013396A1 - Beschaltung für ein elektromagnetisches schaltgerät - Google Patents

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Norbert Mitlmeier
Bernhard Streich
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/02Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay
    • H01H47/04Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current
    • H01H47/043Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current making use of an energy accumulator

Definitions

  • the present invention relates to a circuit for an electromagnetic switching device with at least one drive coil, which actuates a contact arrangement of the electromagnetic switching device when it is acted on by a pull-in current and, when subsequently acted on by a holding current which is smaller than the pull-in current, holds the contact arrangement actuated a current limiter which is connected on the input side to a power supply and on the output side to the drive coil and outputs a limiter current.
  • Electromagnetic switching devices i.e. contactors and relays, draw a high starting current from a power supply when switched on.
  • the starting current depends, among other things, on the supply voltage applied. It is known in the prior art to provide the electromagnetic switching device with a current limiter which limits the starting current to the minimum possible value regardless of the supply voltage present. Nevertheless, this minimal starting current, which has a very high value, is still required. With large contactors in particular, even mains interference is possible due to the high current load.
  • the object of the present invention is to provide a circuit for an electromagnetic switching device with which, on the one hand, the drive coil can be supplied with the required starting current, but on the other hand the current drawn from the power supply is considerably lower.
  • the object is achieved in that the limiter current is smaller than the starting current, that an energy store is arranged between the current limiter and the drive coil and that a switching element is arranged between the energy store and the drive coil, which switches the energy store through to the drive coil only when the energy store is acted upon with an energy content sufficient for actuating the contact arrangement.
  • the load on the power supply is relatively low. Because the energy is stored in the energy store, the energy required to switch the switching device is available. The switching element prevents the stored energy from being switched through to the drive coil at a point in time at which no reliable switching of the switching device is yet guaranteed.
  • the energy store can be of any type.
  • mechanical flywheels or preloading of springs by means of small electric motors can be considered.
  • an electrical energy store is used, that is to say an accumulator or in particular a capacitor.
  • the operational safety of the electromagnetic switching device is significantly increased if the energy store has a maximum energy content and the maximum energy content is sufficient for at least two successive actuations of the contact arrangement.
  • the circuit can be used universally with different electromagnetic switching devices that require different holding currents.
  • the limiter current can be set so that it is slightly larger than the holding current.
  • the adjustability of the limiter current can be achieved, for example, in that the current limiter has a charging switching element with an adjustable switching ratio.
  • the switching ratio can be set, for example, by pulse width modulation.
  • the circuit can be adapted for different electromagnetic switching devices with different starting currents.
  • the switching element can be supplied with a switching signal and the switching element only supplies the energy store
  • the switching signal is applied to the drive coil, it is possible to precharge the energy store and to actuate the contact arrangement immediately when the switching signal is applied.
  • the circuit can be used universally for both direct and alternating current supply.
  • 1 shows an electromagnetic switching device with upstream circuitry.
  • an electromagnetic switching device 1 has a drive coil 2 and a contact arrangement 3.
  • the electromagnetic switching device 1 is designed as a contactor. But it could also be designed as a relay.
  • a drive current 2 A is applied to the drive coil 2
  • the contact arrangement 3 is actuated.
  • the drive coil 2 can be subjected to a holding current I H which is smaller than the starting current I A in order to keep the contact arrangement 3 actuated. If the drive coil 2 is supplied with a current which is less than the holding current I H , the contact arrangement 3 changes into the unactuated state. A renewed actuation of the contact arrangement 3 is then only possible again by applying the starting current I A to the drive coil 2.
  • the switching device 1 is preceded by a coil current control 4, which regulates the current flowing through the drive coil 2 to the starting current I A , the holding current I H or zero. Without further measures, the circuit described so far would nevertheless cause a high current load of a supplying network with the starting current I A when the contact arrangement 3 is actuated.
  • a current limiter 5 is arranged upstream of the coil current control 4.
  • the current limiter 5 is connected on the input side to a power supply which has a supply voltage U.
  • the current limiter 5 is connected to the coil current control 4 and thus indirectly to the drive coil 2 via further components, which will be discussed in more detail below.
  • the current limiter 5 is controlled in such a way that it outputs a limiter current I L which is less than the starting current I A.
  • the limiter current I L is slightly larger than the holding current I H , e.g. B. five to 10 percent larger.
  • An energy store 6 is charged with the limiter current I, which is located between the current limiter 5 and the drive coil 2 or the coil current control 4 is arranged. According to FIG. 1, the energy store 6 is designed as a storage capacitor 6.
  • a switching element 7 is arranged between the energy store 6 and the drive coil 2 or the coil current control 4.
  • the energy content of the energy store 6 is detected by means of the switching element 7.
  • the switching element 7 switches the energy store 6 through to the drive coil 2 or the coil current control 4 only when the energy store 6 is supplied with an energy content which is sufficient for actuating the contact arrangement 3.
  • the energy store 6 When the energy store 6 is designed as a storage capacitor 6, the energy content of the energy store 6 is given directly by the capacitance of the storage capacitor 6 and a storage voltage U s dropping across the storage capacitor 6. In this case, only the memory voltage must U s to an externally predetermined and adjustable switching threshold U S * are compared. In this case, the switching element 7 switches the energy store 6 through to the drive coil 2 when the storage voltage U ⁇ is greater than or equal to the switching threshold U ⁇ *.
  • the circuit is supplied with a supply voltage U.
  • the maximum energy content of the energy store 6 is thus determined by its capacitance and the supply voltage U when it is designed as a storage capacitor 6.
  • the capacitance of the storage capacitor 6 is preferably measured such that the energy content of the storage capacitor 6 is sufficient for at least two immediately successive actuations of the contact arrangement 3.
  • the current limiter 5 has a charging switching element 8 which is controlled by a control circuit 9.
  • the charging switching element 8 is thus switched through and blocked alternately.
  • the relationship between switching time and blocking time indicates the switching ratio.
  • a choke 10 is arranged upstream of the current limiter 5.
  • the choke 10 is connected in parallel with a free-wheeling diode 11. This results in a more uniform current load on the supply network, since the choke limits current changes.
  • the switching device 1 is actuated by applying the supply voltage U.
  • the switching device 1 is actuated by applying the supply voltage U.
  • the switching element 7 switches the energy store 6 through to the drive coil 2 or the coil current control 4 only when both the energy store 6 has sufficient energy content and the switch-through signal S is present. In this case, it is possible to pre-charge the energy store 6.
  • Free-wheeling diode 11 precedes a rectifier 12 with a backup capacitor 13.
  • the circuit can thus be supplied with either DC voltage or AC voltage.

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Abstract

Ein elektromagnetisches Schaltgerät (1) weist einen Strombegrenzer (5), der den aus einer Stromversorgung entnommenen Strom auf einen Begrenzerstrom (IL) begrenzt, der kleiner als der Anzugsstrom (IA) ist. Um dennoch die Antriebsspule (2) mit dem erforderlichen Anzugsstrom (IA) versorgen zu können, ist dem Strombegrenzer (5) ein Energiespeicher (6) nachgeordnet, der nur bei hinreichender Energiespeicherung von einem Durchschaltelement (7) auf die Antriebsspule (2) durchgeschaltet wird.

Description

Beschreibung
Beschaltung für ein elektromagnetisches Schaltgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschaltung für ein elektromagnetisches Schaltgerät mit mindestens einer Antriebsspule, die bei Beaufschlagung mit einem Anzugsstrom eine Kontaktanordnung des elektromagnetischen Schaltgeräts betätigt und bei nachfolgender Beaufschlagung mit einem Halte- ström, der kleiner als der Anzugsstrom ist, die Kontaktanordnung betätigt hält, mit einem Strombegrenzer, der eingangs- seitig mit einer Stromversorgung und ausgangsseitig mit der Antriebsspule verbunden ist und einen Begrenzerstrom ausgibt.
Derartige Beschaltungen sind allgemein bekannt.
Elektromagnetische Schaltgeräte, also Schütze und Relais, entnehmen einem Stromversorgung beim Einschalten einen hohen Anzugsstrom. Der Anzugsstrom ist unter anderem von der anlie- genden Versorgungsspannung abhängig. Im Stand der Technik ist bekannt, dem elektromagnetischen Schaltgerät einen Strombegrenzer vorzuordnen, der den Anzugsstrom unabhängig von der anliegenden Versorgungsspannung auf den minimal möglichen Wert begrenzt. Dennoch aber wird nach wie vor dieser minimale Anzugsstrom benötigt, der einen sehr hohen Wert aufweist. Insbesondere bei großen Schützen sind aufgrund der hohen Strombelastung sogar Netzrückwirkungen möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Beschaltung für ein elektromagnetisches Schaltgerät zu schaffen, mit der einerseits die Antriebsspule mit dem benötigten Anzugsstrom versorgbar ist, andererseits aber der aus der Stromversorgung entnommene Strom erheblich geringer ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Begrenzerstrom kleiner als der Anzugsstrom ist, daß zwischen dem Strombegrenzer und der Antriebsspule ein Energiespeicher angeordnet ist und daß zwischen dem Energiespeicher und der Antriebsspule ein Durchschaltelement angeordnet ist, das den Energiespeicher nur dann auf die Antriebsspule durchschaltet, wenn der Energiespeicher mit einem für ein Betätigen der Kontaktanordnung ausreichenden Energieinhalt beaufschlagt ist.
Aufgrund der Begrenzung des Begrenzerstroms auf einen Wert kleiner als der Anzugsstrom ist die Belastung der Stromversorgung relativ gering. Aufgrund der Speicherung der Energie im Energiespeicher steht die zum Schalten des Schaltgeräts benötigte Energie zur Verfügung. Aufgrund des Durchschaltele- ments wird verhindert, daß die gespeicherte Energie zu einem Zeitpunkt auf die Antriebsspule durchgeschaltet wird, zu dem noch kein sicheres Schalten des Schaltgeräts gewährleistet ist.
Der Energiespeicher kann prinzipiell beliebiger Natur sein. Beispielsweise kommen mechanische Schwungmassen oder Vorspannung von Federn durch kleine Elektromotoren in Frage . In der Regel wird aber ein elektrischer Energiespeicher verwendet, also ein Akkumulator oder insbesondere ein Kondensator.
Die Betriebssicherheit des elektromagnetischen Schaltgeräts wird deutlich erhöht, wenn der Energiespeicher einen maxima- len Energieinhalt aufweist und der maximale Energieinhalt für mindestens zwei aufeinanderfolgende Betätigungen der Kontaktanordnung ausreicht .
Wenn der Begrenzerstrom einstellbar ist, ist die Beschaltung universell bei verschiedenen elektromagnetischen Schaltgeräten einsetzbar, welche verschiedene Halteströme benötigen. Insbesondere ist in diesem Fall der Begrenzerstrom so einstellbar, daß er geringfügig größer als der Haltestrom ist.
Die Einstellbarkeit des Begrenzerstroms kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Stro begrenzer ein Ladeschaltelement mit einstellbarem Schaltverhältnis aufweist. Das Einstellen des Schaltverhältnisses kann beispielsweise durch Pulsweitenmodulation erfolgen.
Wenn dem Ladeschaltelement eine Drossel mit einer antiparal- lel gegengeschalteten Freilaufdiode vorgeordnet ist, erfolgen versorgungsseitig keine abrupten Stromänderungen.
Wenn das Durchschaltelement den Energiespeicher bei Erreichen einer Schaltschwelle auf die Antriebsspule durchschaltet und die Schaltschwelle einstellbar ist, ist die Schaltung für verschiedene elektromagnetische Schaltgeräte mit verschiedenen Anzugsströmen anpaßbar.
Wenn dem Durchschaltelement ein Durchschaltsignal zuführbar ist und das Durchschaltelement den Energiespeicher nur bei
Anliegen des Durchschaltsignals auf die Antriebsspule durchschaltet, ist es möglich, den Energiespeicher vorzuladen und bei Anliegen des Durchschaltsignals sofort die Kontaktanordnung zu betätigen.
Wenn dem Strombegrenzer ein Gleichrichter vorgeordnet ist, ist die Beschaltung universell sowohl bei Versorgung mit Gleich- als auch bei Versorgung mit Wechselstrom einsetzbar.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels . Dabei zeigt die Prinzipdarstellung der einzigen
FIG 1 ein elektromagnetisches Schaltgerät mit vorgeordne- ter Beschaltung.
Gemäß FIG 1 weist ein elektromagnetisches Schaltgerät 1 eine Antriebsspule 2 und eine Kontaktanordnung 3 auf. Gemäß Ausführungsbeispiel ist das elektromagnetische Schaltgerät 1 als Schütz ausgebildet. Es könnte aber auch als Relais ausgebildet sein. Wenn die Antriebsspule 2 mit einem Anzugsstrom IA beaufschlagt wird, wird die Kontaktanordnung 3 betätigt. Nach dem Betätigen der Kontaktanordnung 3 kann die Antriebsspule 2 mit einem Haltestrom IH beaufschlagt werden, der kleiner als der Anzugsstrom IA ist, um die Kontaktanordnung 3 betätigt zu halten. Wird die Antriebsspule 2 mit einem Strom beaufschlagt, der kleiner als der Haltestrom IH ist, so geht die Kontaktanordnung 3 in den unbetätigten Zustand über. Ein erneutes Betätigen der Kontaktanordnung 3 ist dann nur durch Beaufschlagen der Antriebsspule 2 mit dem Anzugsstrom IA wieder möglich.
Dem Schaltgerät 1 ist eine Spulenstromregelung 4 vorgeordnet, welche den durch die Antriebsspule 2 fließenden Strom auf den Anzugsstrom IA, den Haltestrom IH oder Null regelt. Ohne weitere Maßnahmen träte mit der bisher beschriebenen Schaltung aber dennoch beim Betätigen der Kontaktanordnung 3 eine hohe Strombelastung eines versorgenden Netzes mit dem Anzugsstrom IA auf .
Um diese hohe Spitzenbelastung zu vermeiden, ist der Spulenstromregelung 4 ein Strombegrenzer 5 vorgeordnet. Der Strombegrenzer 5 ist eingangsseitig mit einer Stromversorgung verbunden, die eine VersorgungsSpannung U aufweist. Ausgangssei- tig ist der Strombegrenzer 5 über weitere Komponenten, auf die nachstehend näher eingegangen wird, mit der Spulenstromregelung 4 und damit indirekt mit der Antriebsspule 2 verbunden.
Der Strombegrenzer 5 wird derart gesteuert, daß er einen Begrenzerstrom IL ausgibt, der kleiner als der Anzugsstrom IA ist. Im Idealfall ist der Begrenzerstrom IL geringfügig größer als der Haltestrom IH, z. B. um fünf bis 10 Prozent größer.
Mit dem Begrenzerstrom I wird ein Energiespeicher 6 geladen, der zwischen dem Strombegrenzer 5 und der Antriebsspule 2 bzw. der Spulenstromregelung 4 angeordnet ist. Der Energiespeicher 6 ist gemäß FIG 1 als Speicherkondensator 6 ausgebildet.
Zwischen dem Energiespeicher 6 und der Antriebsspule 2 bzw. der Spulenstromregelung 4 ist ein Durchschaltelement 7 angeordnet. Mittels des Durchschaltelements 7 wird der Energieinhalt des Energiespeichers 6 erfaßt. Das Durchschaltelement 7 schaltet den Energiespeicher 6 nur dann auf die Antriebsspule 2 bzw. die Spulenstromregelung 4 durch, wenn der Energiespeicher 6 mit einem Energieinhalt beaufschlagt ist, der für ein Betätigen der Kontaktanordnung 3 ausreicht.
Bei Ausbildung des Energiespeichers 6 als Speicherkondensator 6 ist der Energieinhalt des Energiespeichers 6 direkt durch die Kapazität des Speicherkondensators 6 und eine über dem Speicherkondensator 6 abfallende Speicherspannung Us gegeben. In diesem Fall muß also lediglich die Speicherspannung Us mit einer extern vorgebbaren und damit einstellbaren Schalt- schwelle Us* verglichen werden. In diesem Fall schaltet das Durchschaltelement 7 den Energiespeicher 6 auf die Antriebsspule 2 durch, wenn die SpeicherSpannung UΞ größer oder gleich der Schaltschwelle UΞ* ist.
Wie bereits erwähnt, wird die Beschaltung mit einer Versorgungsspannung U versorgt. Der maximale Energieinhalt des E- nergiespeichers 6 ist bei Ausbildung als Speicherkondensator 6 somit durch seine Kapazität und die Versorgungsspannung U bestimmt. Vorzugsweise ist die Kapazität des Speicherkonden- sators 6 derart gemessen, daß der Energieinhalt des Speicherkondensators 6 für mindestens zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Betätigungen der Kontaktanordnung 3 ausreicht.
Gemäß FIG 1 weist der Strombegrenzer 5 ein Ladeschaltelement 8 auf, das von einer Steuerschaltung 9 angesteuert wird. Das Ladeschaltelement 8 wird also abwechselnd durchgeschaltet und gesperrt. Das Verhältnis zwischen Durchschaltzeit und Sperr- zeit gibt das Schaltverhältnis an. Durch Variation des Schaltverhältnisses kann der Begrenzerstrom IL auf einen Maximalstrom IL* eingestellt werden. Das Einstellen des Schaltverhältnisses kann beispielsweise durch Pulsweitenmodulation erfolgen.
Dem Strombegrenzer 5 ist eine Drossel 10 vorgeordnet. Der Drossel 10 ist eine Freilaufdiode 11 parallel gegengeschaltet. Damit ergibt sich eine gleichmäßigere Strombelastung des Versorgungsnetzes, da die Drossel Stromänderungen begrenzt.
Es ist möglich, das Durchschaltelement 7 bei Erreichen der Schaltschwelle Us* stets und unbedingt zu betätigen. In diesem Fall wird das Schaltgerät 1 durch Anlegen der Versor- gungsspannung U betätigt. Es ist aber auch möglich, die Versorgungsspannung U permanent anzulegen und dem Durchschaltelement 7 ein separates Durchschaltsignal S zuzuführen. In diesem Fall schaltet das Durchschaltelement 7 den Energiespeicher 6 nur dann auf die Antriebsspule 2 bzw. die Spulen- Stromregelung 4 durch, wenn sowohl der Energiespeicher 6 einen hinreichenden Energieinhalt aufweist als auch das Durchschaltsignal S anliegt. In diesem Fall ist es also möglich, den Energiespeicher 6 vorzuladen.
Gemäß FIG 1 ist dem Strombegrenzer 5 nebst Drossel 10 und
Freilaufdiode 11 ein Gleichrichter 12 mit einem Stützkondensator 13 vorgeordnet. Damit ist die Beschaltung wahlweise mit Gleichspannung oder mit Wechselspannung versorgbar.
Bei geeigneter Dimensionierung der Beschaltung kann die in
Verbindung mit FIG 1 beschriebene Spulenstromregelung 4 entfallen. Denn nach dem Entladen des Energiespeichers 6 fällt der der Antriebsspule 2 zugeführte Strom zwangsweise auf den Begrenzerstrom IL ab. Wenn also der Begrenzerstrom IL gering- fügig größer als der Haltestrom IH ist und der Energieinhalt des Energiespeichers 6 hinreichend klein bemessen ist, wirkt der Strombegrenzer 5 zugleich als Spulenstromregelung. Eine separate Spulenstromregelung 4 ist dann nicht mehr erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Beschaltung für ein elektromagnetisches Schaltgerät (1) mit mindestens einer Antriebsspule (2), die bei Beaufschla- gung mit einem Anzugsstrom (IA) eine Kontaktanordnung (3) des elektromagnetischen Schaltgeräts (1) betätigt und bei nachfolgender Beaufschlagung mit einem Haltestrom (IH) , der kleiner als der Anzugsstrom (IA) ist, die Kontaktanordnung (3) betätigt hält, mit einem Strombegrenzer (5), der eingangssei- tig mit einer Stromversorgung und ausgangsseitig mit der Antriebsspule (2) verbunden ist und einen Begrenzerstrom (IL) ausgibt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Begrenzerstrom (IL) kleiner als der Anzugsstrom (IA) ist, daß zwischen dem Strombegrenzer (5) und der Antriebsspule (2) ein Energiespeicher (6) angeordnet ist und daß zwischen dem Energiespeicher (6) und der Antriebsspule (2) ein Durchschaltelement (7) angeordnet ist, das den Energiespeicher (6) nur dann auf die Antriebsspule (2) durchschaltet, wenn der Energiespeicher (6) mit einem für ein Betätigen der Kontaktanordnung (3) ausreichenden Energieinhalt beaufschlagt ist.
2. Beschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Energiespeicher (6) als Speicherkondensator (6) ausgebildet ist.
3. Beschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Energiespeicher (6) einen maximalen Energieinhalt aufweist und daß der maximale Energieinhalt für mindestens zwei aufeinanderfolgende Betätigungen der Kontaktanordnung (3) ausreicht.
4. Beschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Begrenzerstrom (IL) einstellbar ist.
5. Beschaltung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Strombegrenzer (5) ein Ladeschaltelement (8) mit einstellbarem Schaltverhältnis aufweist.
6. Beschaltung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Einstellen des Schaltverhältnisses durch Pulsweitenmodulation erfolgt.
7. Beschaltung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Ladeschaltelement (8) eine Drossel (10) mit einer antiparallel gegengeschalteten Freilaufdiode (11) vorgeordnet ist .
8. Beschaltung nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Durchschaltelement (7) den Energiespeicher (6) bei Erreichen einer Schaltschwelle (UΞ*) auf die Antriebsspule (2) durchschaltet und daß die Schaltschwelle (Us*) einstellbar ist.
9. Beschaltung nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Durchschaltelement (7) ein Durchschaltsignal (S) zuführbar ist und daß das Durchschaltelement (7) den Energiespeicher (6) nur bei Anliegen des Durchschaltsignals (S) auf die Antriebsspule (2) durchschaltet .
10. Beschaltung nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Strombegrenzer (5) ein Gleichrichter (12) vorgeordnet ist.
PCT/DE2000/002707 1999-08-12 2000-08-11 Beschaltung für ein elektromagnetisches schaltgerät WO2001013396A1 (de)

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