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    變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法

    2012-11-22 07:51:12王崇任
    微特電機(jī) 2012年12期
    關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)差率計(jì)算速度等效電路

    王崇任,韓 力,李 輝

    (重慶大學(xué),重慶400044)

    0 引 言

    由于異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、無失步或退磁等一系列優(yōu)點(diǎn),因此在國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)應(yīng)用廣泛。近年來,隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展以及大容量變頻器的出現(xiàn),異步電動(dòng)機(jī)被越來越廣泛地應(yīng)用于各種變頻調(diào)速系統(tǒng)中。變頻調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn),對異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)提出了新的要求。

    常規(guī)異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)僅需要對額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行校核計(jì)算[1],而變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)需要在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)變速運(yùn)行[2]。因此,傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序已無法滿足變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)的需要。

    π 型等效電路模型計(jì)算精度高,但計(jì)算程序復(fù)雜、計(jì)算速度慢[3-4];Г 型等效電路模型計(jì)算簡單,但計(jì)算精度低[1,5]。變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)電磁在設(shè)計(jì)時(shí),需要校核計(jì)算不同工況下多點(diǎn)上的電磁轉(zhuǎn)矩。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算速度的要求,有必要對π型和Г 型等效電路計(jì)算模型進(jìn)一步深入研究,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理選用。

    針對變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)不同頻率段穩(wěn)定運(yùn)行電磁轉(zhuǎn)矩快速、準(zhǔn)確計(jì)算的問題,本文首先對T 型、π 型、Г 型等效電路及其衍生出的其它等效電路計(jì)算模型進(jìn)行理論分析和對比,并結(jié)合變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn),給出了各種等效電路計(jì)算模型的特點(diǎn)和適用范圍,通過與π 型等效電路精確計(jì)算模型的對比,說明了各種模型和算法的適用范圍。

    1 電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算

    三相異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算需要用到等效電路。下面,首先對等效電路模型及其特點(diǎn)進(jìn)行分析。

    1.1 等效電路模型

    眾所周知,反映異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系的精確等效電路模型為T 型等效電路,如圖1 所示[3-5]。

    圖1 T 型等效電路模型

    其中images/BZ_61_342_368_394_439.png和images/BZ_61_458_366_495_434.png 分別為定子繞組的相電壓和相電流;images/BZ_61_239_457_279_530.png 為激磁電流;images/BZ_61_542_456_590_533.png為轉(zhuǎn)子繞組相電流的歸算值;r1和x1σ分別為定子繞組的電阻和漏抗;r2′和x2′σ分別為轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗歸算值;rm和xm分別為激磁電阻和激磁電抗;s 為轉(zhuǎn)差率。

    為了準(zhǔn)確反映激磁支路的物理本質(zhì),可將串聯(lián)的激磁支路轉(zhuǎn)化成由鐵耗電阻rFe和磁化電抗xμ并聯(lián),從而得到π 型等效電路[3-4],如圖2 所示。

    圖2 π 型等效電路模型

    經(jīng)推導(dǎo),將T 型等效電路轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確Г 型等效電路,如圖3 所示。其中校正系數(shù)[5]:

    圖3 準(zhǔn)確Г 型等效電路模型

    準(zhǔn)確Г 型等效電路與T 型等效電路、π 型等效電路完全等價(jià),只是電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有所區(qū)別。在圖3 中,由于校正系數(shù)為復(fù)數(shù),不便于計(jì)算。在額定工頻情況下,考慮到x1σ>>r1和xm>>rm,因此可將校正系數(shù)近似用一個(gè)標(biāo)量來代替[1,5]:

    將式(2)代入圖3,由此可得到較準(zhǔn)確Г 型等效電路模型[5],如圖4 所示。

    圖4 較準(zhǔn)確Г 型等效電路模型

    根據(jù)較準(zhǔn)確Г 型等效電路模型,經(jīng)推導(dǎo)可得到異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算式[5]:

    式中:m1、p、f 分別為定子繞組的相數(shù)、極對數(shù)、頻率。

    根據(jù)調(diào)速的需要,變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)可能運(yùn)行在低頻段,此時(shí)的計(jì)算參數(shù)與高頻段有很大不同,其定子繞組漏抗不再遠(yuǎn)大于定子繞組電阻,因此按式(2)、式(3)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩可能偏離實(shí)際。但若采用圖3 的準(zhǔn)確Г 型等效電路模型計(jì)算,又會(huì)引入復(fù)數(shù)性質(zhì)的校正系數(shù),給計(jì)算帶來不便。為了避免復(fù)數(shù)校正系數(shù)的計(jì)算,同時(shí)考慮到定轉(zhuǎn)子電阻的影響,本文提出一個(gè)新的校正系數(shù)計(jì)算方法:

    在利用通用π 型等效電路進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算中,要進(jìn)行三重循環(huán)迭代。最里一層以磁路計(jì)算為循環(huán)判據(jù),中間一層以轉(zhuǎn)差率s 為迭代量,以輸出功率為循環(huán)判據(jù),最外一層以電動(dòng)勢計(jì)算為循環(huán)判據(jù)(參見圖5)。在迭代過程中,π 型等效電路中的磁化電抗xμ隨磁路飽和程度變化、鐵耗電阻rFe隨磁密大小變化,定轉(zhuǎn)子漏抗隨飽和系數(shù)變化,其算法十分復(fù)雜[3-4],如果處理不當(dāng),有可能出現(xiàn)迭代震蕩或不收斂現(xiàn)象。

    為了簡化計(jì)算,對于采用恒磁通控制的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī),氣隙磁鏈不變,根據(jù)圖2 的π 型等效電路模型,在轉(zhuǎn)子側(cè)可利用氣隙磁鏈來直接計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩[6]:

    式中:ψg為氣隙磁鏈;ωf為轉(zhuǎn)差角頻率;L′2σ為轉(zhuǎn)子繞組漏感的歸算值;im為激磁電流;Lm為激磁電感。

    在氣隙磁鏈不變的情況下,磁路的飽和程度不變,式(5)中轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏感、激磁電流、激磁電感等大部分物理量近似為常數(shù),只需計(jì)算一次,計(jì)算簡單、快捷,其計(jì)算量比通用π 型等效電路模型大為減少。本文稱之為恒磁通π 型等效電路計(jì)算模型。

    綜上所述,根據(jù)不同情況,變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法可歸納為四種模型,如表1 所示。

    表1 四種等效電路計(jì)算模型

    1.2 電磁設(shè)計(jì)程序

    為了驗(yàn)證上述各種計(jì)算模型的適用情況,首先根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)程序,求出電阻和電抗參數(shù),然后分別代入四種等效電路計(jì)算模型中,算出各自對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩,最后與通用π 型等效電路計(jì)算模型的結(jié)果對比。若相符合,則說明該計(jì)算模型可用;若不同,則說明該計(jì)算模型有局限性。

    為了計(jì)算變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,應(yīng)首先給定每個(gè)校核點(diǎn)的供電電壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(或定子頻率)、輸出轉(zhuǎn)矩。其基本計(jì)算思路為先假設(shè)電動(dòng)勢E,再假設(shè)轉(zhuǎn)差率s,然后計(jì)算該轉(zhuǎn)差率下的電阻、電抗值,其次計(jì)算出電磁功率,進(jìn)而求出電磁轉(zhuǎn)矩Te。與給定轉(zhuǎn)矩對比,若不同,則重新假設(shè)s;若相同,則繼續(xù)計(jì)算此時(shí)的電壓U1。若計(jì)算電壓與給定電壓不同,則重新假設(shè)E;若相同,則迭代結(jié)束,輸出此時(shí)的轉(zhuǎn)差率。其計(jì)算流程如圖5 所示。

    圖5 通用π 型等效電路計(jì)算流程圖

    對于采用恒磁通調(diào)速的變頻電動(dòng)機(jī),已知供電頻率便可直接求出對應(yīng)的E,不再需要假設(shè)E,而只需要假設(shè)s。因此,采用恒磁通π 型等效電路計(jì)算模型,可減少不必要的迭代,提高計(jì)算速度。

    1.3 計(jì)算實(shí)例

    對某額定功率為2.2 kW、額定電壓為380 V、額定頻率為50 Hz、Y 接、6 極、恒磁通控制的三相變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī),采用上述四種等效電路計(jì)算模型,對以下四種不同運(yùn)行工況下的電磁轉(zhuǎn)矩分析進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高頻輕載時(shí),取U1= 186.5 V、f =45.2 Hz、s = 0.005,得到的計(jì)算結(jié)果如表2 所示;當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高頻重載時(shí),取U1= 336.9 V、f = 62.8 Hz、s = 0.282 7(此時(shí)電機(jī)已超負(fù)荷運(yùn)行,電壓和頻率已超過額定值),得到的計(jì)算結(jié)果如表3 所示;當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低頻輕載時(shí),取U1= 6.8 V、f = 1.3 Hz、s= 0.272 8,得到的計(jì)算結(jié)果如表4 所示;當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低頻重載時(shí),取U1= 24.9 V、f = 4.3 Hz、s =0. 786 9,得到的計(jì)算結(jié)果如表5 所示。由于通用π型等效電路為精確模型,因此其它的計(jì)算結(jié)果均以通用π 型等效電路模型的計(jì)算結(jié)果作為誤差分析的參考。

    表2 高頻輕載運(yùn)行工況

    表3 高頻重載運(yùn)行工況

    表4 低頻輕載運(yùn)行工況

    表5 低頻重載運(yùn)行工況

    由表2~表5 可見,在高頻段,采用四種不同的等效電路計(jì)算模型,得到的電磁轉(zhuǎn)矩誤差均很小,其中較準(zhǔn)確Г1型和Г2型等效電路計(jì)算模型沒有明顯的差別。為了簡化算法、提高計(jì)算速度,建議采用較準(zhǔn)確Г1型等效電路模型。然而,在低頻段,較準(zhǔn)確Г1型和Г2型等效電路計(jì)算模型均出現(xiàn)較大計(jì)算誤差。同時(shí)可見,在四種不同運(yùn)行工況下,恒磁通π型等效電路計(jì)算模型的誤差都很小,完全滿足工程設(shè)計(jì)的要求。對于恒磁通控制的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī),建議采用恒磁通π 型等效電路計(jì)算模型,以達(dá)到減少計(jì)算量、提高計(jì)算速度的目的。而對于低頻調(diào)速過程中氣隙磁鏈發(fā)生變化的情況,則必須采用通用π 型等效電路計(jì)算模型。

    以上結(jié)論同樣適用于變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。

    1.4 誤差分析

    為了深入探討較準(zhǔn)確Г1等效電路模型的計(jì)算誤差,下面從理論上做進(jìn)一步分析。式(1)與式(2)之差反映了較準(zhǔn)確Г1型等效電路模型的計(jì)算誤差大小:

    其中:

    當(dāng)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高頻段時(shí),由于頻率較高,x1σ>>r1,xm>>rm,則式(7)可化簡為:

    此時(shí),很容易得到Δ2≈0,同理可推出Δ3≈0,進(jìn)而推出Δ1≈0,因此在高頻段較準(zhǔn)確Г1型等效電路模型的計(jì)算誤差很小。上述算例的計(jì)算數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果。

    當(dāng)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低頻段時(shí),在電壓和頻率不變的情況下,電機(jī)的負(fù)荷從輕載到重載過程中,隨著定子電流的增大,定子繞組漏阻抗壓降增大,電動(dòng)勢降低,主磁通減少,鐵心的飽和程度降低,因此rm和xm增大,x1σ略有增大,r1不變(忽略溫度的影響)。由式(8)可見,Δ3中分母為rm和xm的平方和,變化最大,因此隨著負(fù)載的增加,鐵心的飽和程度降低,Δ3將減小。

    對式(7)做進(jìn)一步推導(dǎo),可得:

    由式(10)可見,隨著負(fù)載的增加,鐵心的飽和程度降低,由于rm和xm同時(shí)增大,因此近似不變。當(dāng)Δ3減小時(shí),Δ2隨之減小。再由式(6)可知,Δ1也隨之減小。因此,對于較準(zhǔn)確Г1型等效電路計(jì)算模型,低頻重載時(shí)誤差較小,而低頻輕載時(shí)誤差最大,與計(jì)算實(shí)例相符。

    同理,可對較準(zhǔn)確Г2型等效電路計(jì)算模型進(jìn)行誤差分析,在此不贅。

    2 最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算

    為了區(qū)分變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)在高頻運(yùn)行段和低頻運(yùn)行段的不同情況,下面分別討論其最大轉(zhuǎn)矩的具體計(jì)算方法。

    2.1 高頻段

    對于變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī),常常需要對成百上千個(gè)運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行校核計(jì)算。如果每個(gè)運(yùn)行點(diǎn)都根據(jù)π 型等效電路計(jì)算模型的三重循環(huán)迭代來尋找最大轉(zhuǎn)矩,則計(jì)算速度將十分緩慢。

    文獻(xiàn)[7]提出假定s,采用通用π 型等效電路模型,考慮集膚效應(yīng)、漏磁路飽和的影響,計(jì)算s 點(diǎn)對應(yīng)的電阻和漏抗值,進(jìn)而計(jì)算該點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩,通過不斷比較得到最大轉(zhuǎn)矩。為了提高計(jì)算速度,文獻(xiàn)[7]采用了0.618 法。然而,在實(shí)際編程計(jì)算中發(fā)現(xiàn),對于臨界轉(zhuǎn)差率較小的電機(jī),采用該方法會(huì)出現(xiàn)無法準(zhǔn)確找到最大轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)象。若要保證計(jì)算的可靠性,可采取s 從0~1 逐點(diǎn)試探的方法,但該方法需要搜尋整個(gè)變頻運(yùn)行區(qū)間,計(jì)算量很大,計(jì)算速度很慢。

    而較準(zhǔn)確的Γ1型等效電路計(jì)算模型最為簡單,可一步求出最大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)較準(zhǔn)確Г1型等效電路,經(jīng)推導(dǎo)可得到最大轉(zhuǎn)矩以及出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率[5]:

    在式(11)、式(12)中,各參數(shù)均默認(rèn)為額定工況下的值。而在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn),定轉(zhuǎn)子電流達(dá)到額定電流2~3 倍,電流的增加將引起磁路飽和程度的變化,從而使得定轉(zhuǎn)子漏抗發(fā)生變化。因此,如果直接引用額定點(diǎn)的參數(shù)計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩,顯然是不合理的。

    為了解決上述問題,本文提出一種新的計(jì)算方法。以0.4 倍當(dāng)前點(diǎn)電壓作為供電電壓,對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)參數(shù)的計(jì)算,此時(shí)的電流大約為額定值的2~3 倍,其電阻和漏抗參數(shù)接近于最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的情況。將計(jì)算出的電阻和漏抗參數(shù)代入較準(zhǔn)確Г1型等效電路模型,并利用式(11)計(jì)算就可得到最大轉(zhuǎn)矩。本文將這種修正參數(shù)后再計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩的方法稱為較準(zhǔn)確Г3型等效電路模型。

    對上面提到的三相異步電動(dòng)機(jī),采用通用π型、較準(zhǔn)確Г1型及本文提出的較準(zhǔn)確Г3 型等效電路計(jì)算模型,分別對最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算,其結(jié)果如表6 所示。由此可見,在高頻段,較準(zhǔn)確Г1型、Г3型等效電路計(jì)算模型的誤差不大,但其計(jì)算效率遠(yuǎn)高于通用π 型等效電路模型。

    表6 三種等效電路計(jì)算模型最大轉(zhuǎn)矩對比(2.5 kW)

    為了進(jìn)一步分析較準(zhǔn)確Г1型、Г3型等效電路計(jì)算模型對最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算精度,下面對另一臺(tái)大容量的三相異步電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算,其基本參數(shù):額定功率1.2 MW,額定電壓1 400 V,額定頻率60 Hz,Y 接,4 極。計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

    表7 三種等效電路計(jì)算模型最大轉(zhuǎn)矩對比(1.2 MW)

    對比表6 和表7 的最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算精度可見,較準(zhǔn)確Г1型等效電路計(jì)算模型更適合小容量的電機(jī),而較準(zhǔn)確Г3 型等效電路計(jì)算模型更適合大容量的電機(jī)。究其原因,小電機(jī)的定子電阻比重較大,使得堵轉(zhuǎn)時(shí)定子漏阻抗電壓降占外施電壓的比例過大,對主磁路的飽和程度影響太大,影響較準(zhǔn)確Г3型等效電路的計(jì)算精度。因此,本文推薦在sm≤0.1 時(shí)采用較準(zhǔn)確Г3型等效電路模型來計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩比較合適,否則還是采用π 型等效電路模型。

    2.2 低頻段

    在低頻段,較準(zhǔn)確Г1型和Г3型等效電路計(jì)算模型都不再適合最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算,而只能根據(jù)π 型等效電路模型,通過轉(zhuǎn)差率逐點(diǎn)試探法來尋找最大轉(zhuǎn)矩。逐點(diǎn)試探法可靠性高,但計(jì)算速度很慢。為了簡化最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算,許多文獻(xiàn)認(rèn)為,在式(5)中令即可求得使電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率:

    然后,把式(13)代入式(5),就可求出最大轉(zhuǎn)矩。然而,這種方法只是一種數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)。實(shí)際上,即使對于恒磁通控制的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī),ψg和L′2σ也隨s 的變化而變化,因而不能簡單處理。

    為了準(zhǔn)確而快速地計(jì)算低頻段的最大轉(zhuǎn)矩,根據(jù)通用π 型等效電路計(jì)算模型,本文采用轉(zhuǎn)差率定步長試探法。該方法的基本思路:在最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的sN~sm區(qū)間,轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線為單調(diào)函數(shù)。此時(shí),可從額定轉(zhuǎn)差率sN開始迭代,首先令s1= sN,然后每次增加固定步長Δs:

    將s1、s2代入π 型等效電路模型,計(jì)算出對應(yīng)的電阻和漏抗參數(shù),進(jìn)而計(jì)算出對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩Te1和Te2。若Te2>Te1,則令s1= s2、Te1= Te2,并重復(fù)上述迭代過程;若Te1>Te2,則此時(shí)的Te1便為最大轉(zhuǎn)矩Tmax、對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率s1就是臨界轉(zhuǎn)差率sm。該算法的流程如圖6 所示。

    圖6 轉(zhuǎn)差率定步長試探法求最大轉(zhuǎn)矩流程圖

    由于sN和sm一般相差不大,因此該方法計(jì)算快捷,不會(huì)出現(xiàn)迭代震蕩或不收斂等現(xiàn)象,計(jì)算速度和可靠性顯著提高。

    3 結(jié) 論

    (1)通用π 型等效電路反映了異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系的物理本質(zhì),是一種精確模型,適用于變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)各種工況下電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。但其算法復(fù)雜,計(jì)算速度慢,有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)迭代震蕩現(xiàn)象。

    (2)對于恒磁通控制的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī),建議采用恒磁通π 型等效電路模型來計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩,在保證計(jì)算精度的前提下可有效減少計(jì)算量,在計(jì)算點(diǎn)數(shù)較多的情況下可明顯提高計(jì)算速度。

    (3)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)在高頻運(yùn)行工況下,建議采用較準(zhǔn)確Г1型等效電路模型來計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩,這是最簡單、快捷的算法,其計(jì)算精度能夠滿足工程設(shè)計(jì)的需要。但不能采用該模型來計(jì)算低頻運(yùn)行工況下的電磁轉(zhuǎn)矩。

    (4)本文提出的較準(zhǔn)確Г3型等效電路計(jì)算模型,計(jì)算速度快、精度高,適合于變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算,但要求臨界轉(zhuǎn)差率不宜過大。

    (5)根據(jù)π 型等效電路,本文提出的轉(zhuǎn)差率定步長試探法,適合于變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)行工況下最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。

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