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PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)分析 1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是:用脈沖寬度調(diào)制的方法,把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列,從而可以改變平均輸出電壓的大小,以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1.2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2所示,這時(shí),啟動(dòng)電流成方波形,而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程圖2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形1.3 H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是:用脈沖寬度調(diào)制的方法,把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列,從而平均輸出電壓的大小,以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。H形雙極式逆變器電路如圖3所示。這時(shí)電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。圖3 H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖4所示。圖4 H形雙極式逆變器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是:。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),當(dāng)時(shí),晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止,這時(shí)。當(dāng)時(shí),、截止,但、不能立即導(dǎo)通,電樞電流經(jīng)、續(xù)流,這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間,這是雙極式PWM變換器的特征,其電壓、電流波形如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí),則的平均值為正,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),當(dāng)正脈沖較窄時(shí),則反轉(zhuǎn);如果正負(fù)脈沖相等,平均輸出電壓為零,則電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比,電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí),的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時(shí),為正,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)時(shí),為負(fù),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)時(shí),電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零,而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓,因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值等于零,不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩,徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處,在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流,從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn):1)電流一定連續(xù)。2)可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。3)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流,能消除靜摩擦死區(qū)。4)低速平穩(wěn)性好,每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。1.4 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制,電流波形都是連續(xù)的,因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單,電壓平衡方程如下 . 按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值,即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式,電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都是,平均電流用表示,平均轉(zhuǎn)速,而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫(xiě)成則機(jī)械特性方程式2 電路設(shè)計(jì)H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖5所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生,并采用大電容濾波,以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電,不可能回饋電能,電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電,這時(shí)電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓,用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量,在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通VTz。圖5 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號(hào):20MT120UF 生產(chǎn)廠家:IR公司主要參數(shù)如下:=1200V =16A =100 2.1給定基準(zhǔn)電源此電路用于產(chǎn)生15V電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準(zhǔn)電壓,如圖6所示:圖6 給定基準(zhǔn)電源電路2.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,必須對(duì)被控量進(jìn)行采樣,然后與給定值比較,決定調(diào)節(jié)器的輸出,反饋的關(guān)鍵是對(duì)被控量進(jìn)行采樣與測(cè)量。2.2.1 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量,為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入,需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示,由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù),以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號(hào)的延遲,在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié),使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng)。圖7 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖8所示,由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波,因此也需要濾波,由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理,在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖8 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.3 信號(hào)產(chǎn)生電路本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號(hào)發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開(kāi)關(guān)頻率,選擇適當(dāng)?shù)摹⒅导纯纱_定振蕩頻率。電路中的PWM信號(hào)由集成芯片SG3524產(chǎn)生,SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖8所示,由15腳輸入+15V電壓,用于產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器,可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過(guò)電阻與+15V電壓源相連,供內(nèi)部晶體管工作,由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入,通過(guò)其電壓大小調(diào)節(jié)12、13引腳的輸出脈沖寬度,實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實(shí)現(xiàn)。圖9 SG3524管腳圖 圖10 SG3524引腳接線圖圖11 SG3524內(nèi)部框圖主要參數(shù):輸入電壓Uimax:40V 輸出電流:500mA 好散功率:1W2.4 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理工作原理如圖12所示圖12 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下:腳1 :連接用于反向偏置電源的濾波電容器;腳2 :電源( 20V );腳3 :驅(qū)動(dòng)輸出;腳4 :用于連接外部電容器,以防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作(大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器);腳5 :過(guò)流保護(hù)輸出;腳6 :集電極電壓監(jiān)視;腳7 、8 :不接;腳9 :電源;腳10 、11 :不接;腳14 、15 :驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入(-,);2.5 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路中V5起保護(hù)作用,避免EXB841的6腳承受過(guò)電壓,通過(guò)VD1檢測(cè)是否過(guò)電流,接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過(guò)流保護(hù)起控點(diǎn),以降低過(guò)高的保護(hù)閥值從而解決過(guò)流保護(hù)閥值太高的問(wèn)題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過(guò)電壓,Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對(duì)EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問(wèn)題,可如圖12所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管,也可采取對(duì)每個(gè)脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時(shí)間,避免IGBT過(guò)窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對(duì)EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問(wèn)題,可以在EXB841的5腳和4腳間接一個(gè)可變電阻,4腳和地之間接一個(gè)電容,都是用來(lái)調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間,保證軟關(guān)斷的可靠性。針對(duì)負(fù)偏壓不足的問(wèn)題,可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V,可以采用-8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制),輸人信號(hào)被接到15腳,EXB841正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT.圖13 EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)圖主要參數(shù): 電源電壓:20V 最大輸出功率:47mA 最高工作頻率:10kHz2.6 鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路鋸齒波信號(hào)發(fā)生器SG的輸出信號(hào)Us與控制信號(hào)在PWM轉(zhuǎn)換器(SG3524)中進(jìn)行比較,PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列,即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構(gòu)成。UJT鋸齒波信號(hào)發(fā)生器基本電路如圖14所示 圖14鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路2.7轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路2.7.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路如圖15所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī),從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓,與給定電壓相比較后,得到轉(zhuǎn)速偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小,還包含轉(zhuǎn)速的方向,測(cè)速電路如圖15所示,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖15轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路2.7.2 電流檢測(cè)電路通過(guò)霍爾傳感器測(cè)量電流的電流檢測(cè)電路原理如圖16所示。圖16 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖13所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯,套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線上,將導(dǎo)線中電流感生的磁場(chǎng)聚集起來(lái),在磁芯上開(kāi)一氣隙,內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件,器件通電后,便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn): 1)可以同時(shí)測(cè)量任意波形電流,如:直流、交流、脈沖電流; 2)副邊測(cè)量電流與原邊被測(cè)電流之間完全電氣隔離,絕緣電壓一般為2kV12kV; 3)電流測(cè)量范圍寬,可測(cè)量額定1mA50kA電流; 4)跟蹤速度di/dt50A/s; 5)線性度優(yōu)于0.1IN; 6)響應(yīng)時(shí)間1s; 7)頻率響應(yīng)0100kHz。3 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路基本數(shù)據(jù)如下:1)PWM裝置放大系數(shù);2)電樞回路總電阻R=8;3)電磁時(shí)間常數(shù);4)機(jī)電時(shí)間常數(shù);5)調(diào)節(jié)器輸入電阻;設(shè)計(jì)指標(biāo):1)靜態(tài)指標(biāo):無(wú)靜差;2)動(dòng)態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù): 3.1電流環(huán)的設(shè)計(jì) 1)確定時(shí)間常數(shù)PWM裝置滯后時(shí)間常數(shù):。電流濾波時(shí)間常數(shù):。(和一般都比小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié))。2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求:,而且可按典型型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的,其傳遞函數(shù)為式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù); 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。3)選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù);電流環(huán)開(kāi)環(huán)時(shí)間增益:要求,故應(yīng)取,因此 于是,ACR的比例系數(shù)為: 4)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率: (1)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件: 即 滿足近似條件;(2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件: 即 滿足近似條件;(3) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:, 即 滿足近似條件。5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻為,各電阻和電容值計(jì)算如下 取 ,取 , 取3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1)確定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) (2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) (3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理 2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)要求,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié),故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取,則ASR超前時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益: ASR的比例系數(shù): 4)近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為: (1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件: 現(xiàn)在 , 滿足簡(jiǎn)化條件。(2)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件: 現(xiàn)在, 滿足近似條件。5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻 ,則 ,取220 ,取0.2 ,取0.56)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí),查表得,=37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上,由于這是按線性系統(tǒng)計(jì)算的,而突加階躍給定時(shí),ASR飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提,應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí),負(fù)載系數(shù)z=0。當(dāng)h=5時(shí),;而,因此 過(guò)渡時(shí)間,=0.081s當(dāng)h=5時(shí),滿足設(shè)計(jì)要求。4 電路圖總體設(shè)計(jì)5 心得及總結(jié)脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開(kāi)關(guān)周期T不變,調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。本文利用SG3524集成PWM控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng),本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制,并且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)措施,既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,又使系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能。 在當(dāng)今的社會(huì)生活中,電子科學(xué)技術(shù)的運(yùn)用越來(lái)越深入到了各行各業(yè)之中,并得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步,自動(dòng)化控制系統(tǒng)更是的到了廣泛的應(yīng)用,其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用就是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。相較于交流電動(dòng)機(jī),直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、制造困難且不容易維護(hù),但由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力強(qiáng),適宜在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速,所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自調(diào)速系統(tǒng)中的重要形式。而伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,開(kāi)關(guān)速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成為主流,PWM表現(xiàn)出了越大的優(yōu)越性:主電路線路簡(jiǎn)單,需用的功率器件少;開(kāi)關(guān)頻率高,電流容易連續(xù),諧波少,電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?,穩(wěn)速精度高,調(diào)速范圍寬,可達(dá)1:10000左右;若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合,則系統(tǒng)頻帶寬,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng);功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),導(dǎo)通損耗小,當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí),開(kāi)關(guān)損耗也不大,因而裝置效率較高;直流電源采用不控整流時(shí),電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。本設(shè)計(jì)采用PWM技術(shù)來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,與一般直流調(diào)速相比,既減少了對(duì)電源的污染,而且使控制過(guò)程更簡(jiǎn)單方便,減少了對(duì)人力資源的使用,又因?yàn)榫€路的簡(jiǎn)單化、功率器件需用的減少,使系統(tǒng)的維護(hù)、維修變得更加簡(jiǎn)單了,但動(dòng)、靜態(tài)性能卻提高了。該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不是很高,但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調(diào)速系統(tǒng)相比 ,它具有調(diào)速范圍寬、快速性能好、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),使之以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中。本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制器SG3524來(lái)完成,它解決了PWM電路的集成化問(wèn)題,在實(shí)例中就可用此芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。 經(jīng)過(guò)接近四周的努力,終于圓滿的完成了本課程設(shè)計(jì)及期中大作業(yè)。通過(guò)親身體驗(yàn)做課程設(shè)計(jì)的目的,在于通過(guò)理論與實(shí)際的結(jié)合,進(jìn)一步提高我們

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