CN102832831B - 用于三电平整流器的开关分支以及三相三电平整流器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于三电平整流器的开关分支以及三相三电平整流器,该开关分支包括:第一二极管和第一半导体开关,串联连接在正直流电压电极和NP之间;第二二极管和第二半导体开关,串联连接在负直流电压电极和NP之间;晶闸管和第三二极管,二者之间的连接点连接至开关分支的交流电压电极。第一二极管和第一半导体开关属于特定于第一开关分支的半导体模块;第二二极管和第二半导体开关属于特定于第二开关分支的半导体模块。开关分支还包括:a)控制装置,在整流器中间电路的充电期间响应于其电压和整流器的供电电压改变晶闸管的控制角;或b)充电装置,对整流器中间电路充电,以及控制装置,在整流器中间电路的充电期间将晶闸管控制为非导通状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于三电平整流器的开关分支,并且涉及一种三相、三电平整流器。
背景技术
三电平整流器是包括三个直流电压电极的整流器。它们不仅具有正直流电压电极和负直流电压电极,而且还包括中性直流电压电极。在如下出版物中公开了三电平整流器的示例:Y.Zhao、Y.Li和T.A.Lipo在1995年1月/2月的IEEE transactions on industry applications的Vol.31,No.1,"Force commutated three level boost type rectifier";以及J.W.Kolar和F.C.Zach在1997年8月的IEEE transactions on industrial electronics的Vol.44,No.4,"A novel three-phase utility interface minimizing linecurrent harmonics of high-power telecommunications rectifier modules"。
图1示出了三相三电平整流器的主电路的电路图。所述整流器包括三个开关分支,每个开关分支具有一个交流电压输入电极AC1、AC2、AC3。进而,直流电压输出包括三个电极:正直流电压电极Udc+、负直流电压电极Udc-和中性直流电压电极NP。进而,整流器的直流电压中间电路包括以如下方式串联连接在正直流电压电极Udc+和负直流电压电极Udc-之间的电容器C1和C2:中性直流电压电极NP形成在电容器的连接点上。整流器的每个开关分支还包括串联连接在正直流电压电极和负直流电压电极之间的四个二极管以及按照给定调制方法调制输入电压的两个可控开关。可能的调制方法包括例如矢量调制和滞环调制。按照调制方案,每个开关分支中的上开关与串联连接的最上二极管换向,下开关与串联连接的最下二极管换向。在该图的示例中,二极管还并联连接到每个受控开关。
通常,整流器的直流电压中间电路中的电容器在整流器的正常使用之前要充电。例如,可以通过接触器和充电电阻器以如下方式执行电容器的充电:在充电阶段,电容器充电电流通过接触器连接以经由限制充电电流的充电电阻器环流。该解决方案存在的问题例如是它需要单独的接触器。
发明内容
本发明的一个目的是开发设备以便解决或至少减轻上述问题。本发明的目的是通过一种用于三电平整流器的开关分支以及通过一种三相三电平整流器实现的。
根据本发明的一个方面,提出了一种用于三电平整流器的开关分支,包括:第一二极管(D1;D11,D12,D13)和第一半导体开关(S1;S11,S12,S13),串联连接在正直流电压电极(Udc+)和中性直流电压电极(NP)之间;第二二极管(D2;D21,D22,D23)和第二半导体开关(S2;S21,S22,S23),串联连接在负直流电压电极(Udc-)和中性直流电压电极(NP)之间;以及晶闸管(T;T1,T2,T3)和第三二极管(D3;D31,D32,D33),串联连接在所述第一二极管和所述第一半导体开关之间的连接点与所述第二二极管和所述第二半导体开关之间的连接点之间,其中,所述晶闸管(T;T1,T2,T3)和所述第三二极管(D3;D31,D32,D33)之间的连接点连接至所述开关分支的交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3),其特征在于:所述第一二极管(D1;D11,D12,D13)和所述第一半导体开关(S1;S11,S12,S13)属于特定于第一开关分支的半导体模块(10);以及所述第二二极管(D2;D21,D22,D23)和所述第二半导体开关(S2;S21,S22,S23)属于特定于第二开关分支的半导体模块(20)。所述开关分支还包括:a)控制装置(100),控制装置(100)被布置为在整流器中间电路的充电期间响应于整流器中间电路的电压和整流器的供电电压改变晶闸管(T;T1,T2,T3)的控制角;或者b)充电装置(DL,RL,SL),用于对整流器中间电路进行充电;以及控制装置(100),被布置为在整流器中间电路的充电期间将晶闸管(T;T1,T2,T3)控制为非导通状态。
优选地,所述晶闸管(T;T1,T2,T3)连接在所述第一二极管和所述第一半导体开关之间的所述连接点与所述开关分支的所述交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3)之间;以及所述第三二极管(D3;D31,D32,D33)连接在所述第二二极管和所述第二半导体开关之间的所述连接点与所述开关分支的所述交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3)之间。
优选地,所述晶闸管(T;T1,T2,T3)连接在所述第二二极管和所述第二半导体开关之间的所述连接点与所述开关分支的所述交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3)之间;以及所述第三二极管(D3;D31,D32,D33)连接在所述第一二极管和所述第一半导体开关之间的所述连接点与所述开关分支的所述交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3)之间。
优选地,所述晶闸管(T;T1,T2,T3)和所述第三二极管(D3;D31,D32,D33)属于特定于第三开关分支的半导体模块(30)。
优选地,所述开关分支还包括:第四二极管(D4;D41,D42,D43),与所述第一半导体开关(S1;S11,S12,S13)并联连接;以及第五二极管(D5;D51,D52,D53),与所述第二半导体开关(S2;S21,S22,S23)并联连接。
优选地,所述第四二极管(D4;D41,D42,D43)属于所述特定于第一开关分支的半导体模块(10);以及所述第五二极管(D5;D51,D52,D53)属于所述特定于第二开关分支的半导体模块(20)。
优选地,所述开关分支还包括:第三半导体开关(S3),与所述第一二极管并联连接;以及第四半导体开关(S4),与所述第二二极管并联连接。
优选地,所述第三半导体开关(S3)属于所述特定于第一开关分支的半导体模块(10);以及所述第四半导体开关(S4)属于所述特定于第二开关分支的半导体模块(20)。
优选地,所述开关分支还包括:控制装置(100),所述控制装置(100)被布置为在整流器中间电路的充电期间响应于所述整流器中间电路的电压和所述整流器的供电电压改变所述晶闸管(T;T1,T2,T3)的控制角。
优选地,所述控制装置(100)被布置为响应于所述整流器中间电路的电压值和所述整流器的供电电压值的比值或差改变所述晶闸管(T;T1,T2,T3)的控制角。
优选地,所述开关分支还包括:充电装置(DL,RL,SL),用于对所述整流器中间电路进行充电;以及控制装置(100),被布置为在所述整流器中间电路的充电期间将所述晶闸管(T;T1,T2,T3)控制为非导通状态。
优选地,所述控制装置(100)被布置为在所述整流器中间电路不充电时将所述晶闸管(T;T1,T2,T3)控制为二极管模式。
优选地,所述控制装置(100)被布置为响应于检测到的故障状态将所述晶闸管(T;T1,T2,T3)控制为非导通状态。
根据本发明的另一个方面,提供了一种包括三个所述开关分支的三相三电平整流器。
优选地,所述三相三电平整流器的特征在于互连每个开关分支的所述正直流电压电极(Udc+),互连每个开关分支的所述负直流电压电极(Udc-),以及互连每个开关分支的所述中性直流电压电极(NP)。
本发明基于如下事实:在用于三电平变换器的开关分支中,连接在第二半导体开关和交流电压电极之间的二极管由晶闸管代替。而且,该半导体以最小化换向(commutation)电路的漏电感的方式置于半导体模块中。
本发明的解决方案具有如下优点:整流器的直流电压中间电路中电容器的充电不需要接触器,而是,中间电路中的电容器可以通过例如改变晶闸管的控制角或者经由与晶闸管并联的电阻器-二极管分支来充电。另外,在故障情形中,基本上电流方向一旦要改变,则晶闸管控制信号的移除就中断故障电流,这加强了整流器设备的保护。另外,可以最小化换向电路的漏电感。
附图说明
将参照附图结合一些实施例更详细地描述本发明,在附图中:
图1示出了三相整流器的主电路的一个示例;
图2示出了根据一个实施例的用于整流器的开关分支的一个示例;
图3示出了根据一个实施例的用于整流器的开关分支的一个示例;
图4示出了根据一个实施例的用于整流器的开关分支的一个示例;
图5示出了根据一个实施例的用于整流器的开关分支的一个示例;以及
图6示出了根据一个实施例的三相整流器的主电路的一个示例。
具体实施方式
本发明的应用不限于任何特定***,而是可以应用于各种电气***。另外,本发明的使用不限于任何使用特定基本频率的***或者任何特定电压电平。
图2示出了根据一个实施例的用于三电平整流器的开关分支的电路图。应该指出,该图仅示出了与本发明的理解有关的元件。该开关分支可以是三相整流器的一个开关分支或者是单相整流器的开关分支。图2的开关分支包括用于将开关分支连接到交流电压输出(未示出)的交流电压输入电极AC,以及正直流电压电极Udc+、负直流电压电极Udc-和中性直流电压电极NP。此外,该开关分支包括串联连接在负直流电压电极Udc-和中性直流电压电极NP之间的第二二极管D2和第二可控半导体开关S2。半导体开关S1、S2可以是晶体管,比如IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或FET(场效应晶体管)或其他半导体开关。为了清楚起见,半导体开关S1、S2的控制部件和耦接没有在图中示出。此外,该开关分支包括以如下方式串联连接在第一二极管D1和第一半导体开关S1之间的连接点与第二二极管D2和第二半导体开关S2的连接点之间的晶闸管T和第三二极管D3:晶闸管T和第三二极管D3之间的连接点连接至开关分支的交流电压电极AC。在图2的示例中,晶闸管T连接在第一二极管D1和第一半导体开关S1的连接点与开关分支的交流电压电极AC之间,且第三二极管D3连接在第二二极管D2和第二半导体开关S2的连接点与开关分支的交流电压电极AC之间。开关分支还可以包括与第一半导体开关S1并联连接的第四二极管D4和与第二半导体开关S2并联连接的第五二极管D5,如图所示。开关分支还可以包括控制单元100或相应的控制装置,用于通过传送至晶闸管栅极的适当控制信号来控制晶闸管T。
图3示出了根据一个实施例的用于三电平整流器的开关分支的电路图。图3中示出的开关分支的示例在除了以下以外的所有方面对应于图2中示出的开关分支的示例:在图3的开关分支中,晶闸管T连接在第二二极管D2和第二半导体开关S2之间的连接点与开关分支的交流电压电极AC之间,第三二极管D3连接在第一二极管D1和第一半导体开关S1之间的连接点与开关分支的交流电压电极AC之间。
根据一个实施例,开关分支的第一二极管D1和第一半导体开关S1属于特定于第一开关分支的半导体模块10,开关分支的第二二极管D2和第二半导体开关S2属于特定于第二开关分支的半导体模块20。根据一个实施例,另外,开关分支的第三二极管和晶闸管属于特定于第三开关分支的半导体模块30。此外,根据一个实施例,开关分支的第四二极管D4属于特定于第一开关分支的半导体模块,且第五二极管D5属于特定于第二开关分支的半导体模块20。在该背景下,半导体模块一般地指代包括被布置在公共衬底上并且以适当的方式电气互连的若干个半导体元件的模块。通过以这种方式将半导体放置在半导体模块中,可以最小化换向电路的漏电感。在图3的示例中的第一半导体模块10和第二半导体模块20可以通过制动斩波器模块实现。第三半导体模块30可以通过半受控晶闸管分支实现。图4示出了根据一个实施例的用于三电平整流器的开关分支的电路图。图4的示例还包括与第一二极管D1并联连接的第三半导体开关S3以及与第二二极管D2并联连接的第四半导体开关S4。第三半导体开关属于第一半导体模块10,第四半导体开关属于第二半导体模块20。图4的示例中的第一半导体模块10和第二半导体模块20可以通过双IGBT实现。
在图2至图4的开关分支示例的情况下,例如可以通过晶闸管T的相角控制执行整流器中间电路中的电容器C1、C2的初始充电。根据一个实施例,晶闸管T的控制装置比如控制单元100被布置为在整流器中间电路的充电过程中响应于整流器中间电路的电压和整流器的供电电压来改变晶闸管控制角。相应地,晶闸管T的控制角、即晶闸管从最早可能的触发时刻起延迟触发的角度响应于整流器中间电路的电压和整流器的供电电压而改变,以便限制中间电路的充电电流。根据一个实施例,控制单元100被布置为响应于整流器中间电路的电压值与整流器的供电电压值之间的比值或差改变晶闸管T的控制角。初始地,控制角可以是例如180度,即晶闸管T的触发从最早可能的触发时刻起延迟180度,其后,随着中间电路电压上升,从而随着中间电路电压值与整流器供电电压值之间的比值或差改变,晶闸管T的控制角逐渐减小。在中间电路电压已上升足够高后,中间电路的充电可以结束,并且晶闸管T可以被控制为二极管模式,即在实践中被控制为连续导通状态,从而它看起来像二极管一样工作。有利地,晶闸管的控制单元100被布置为当整流器的中间电路不充电时将晶闸管T控制为二极管模式。
根据一个实施例,晶闸管T可以响应于检测到的故障情形被控制为非导通状态。从而,晶闸管的控制单元100可以被布置为响应于故障状态的检测将晶闸管T控制为非导通状态。这样的故障状态例如可以发生在整流器的开关分支中、整流器中的任何其他位置或者连接到整流器的装置中(比如由整流器供电的装置)、或者为整流器馈电的交流电压馈电***中。故障情形的一个示例是整流器部件中的故障、或整流器各部分的任意一个中的短路或接地故障。故障情形可以例如通过特定的故障诊断功能检测,该特定的故障诊断功能监视整流器的开关分支的操作或整个整流器的操作,并检测是否发生与正常操作的不相符之处。这种故障诊断功能可以并入晶闸管的控制单元100中或者由一个或者更多个单独的单元(未示出)实现。
整流器中间电路的电容器C1、C2的初始充电还可以以其他方式执行。图5示出了根据一个实施例的用于三电平整流器的开关分支的电路图。图5中的示例的开关分支还包括用于对整流器中间电路充电的充电装置。根据图5的示例,充电装置可以包括例如连接在开关分支的交流电压电极和正直流电压电极之间的充电二极管DL和充电电阻器RL、以及可控开关SL比如继电器或半导体开关。在图5的实施例中,控制单元100被布置为在整流器中间电路的充电期间将开关SL控制为导通状态以及将晶闸管T控制为非导通状态。当中间电路中的电压已经上升地足够高并且中间电路的充电可以结束时,控制单元100被布置为将开关SL控制为非导通状态以及将晶闸管T控制为连续导通状态。
根据一个实施例,可以通过互联三个上述任意一个实施例的开关分支来实现三相三电平变换器。图6示出了整流器的主电路的简化电路图,主电路由图2的特定于三相的开关分支通过连接每个开关分支的正直流电压电极Udc+、负直流电压电极Udc-和中性直流电压电极NP互联形成。每个开关分支相应地具有交流电压输入电极AC1、AC2、AC3,用于将整流器连接至三相交流电压输出(未示出)的三相。每个开关分支还包括以如上结合图2所示的方式连接的第一二极管D11、D12、D13和第二二极管D21、D22、D23以及第三二极管D31、D32、D33和晶闸管T1、T2、T3。另外,每个开关分支包括也以如上结合图2所示的方式连接的第一可控半导体开关S11、S12、S13和第二半导体开关S21、S22、S23。为了清楚起见,图中没有示出晶闸管或半导体开关的控制部件和耦接。图6的整流器的每个开关分支还可以包括第四二极管D41、D42、D43和第五二极管D51、D52、D53,如图中所示。进而,图6的整流器的直流电压中间电路包括以如下方式串联连接在正直流电压电极Udc+和负直流电压电极Udc-之间的电容器C1和C2:中性直流电压电极NP形成在电容器的连接点处。中间电路的结构也可以与图中所示的结构不同。
实现上述各种功能及其各种组合的设备比如控制单元100可以通过一个或者更多个单元实现。术语“单元”一般地指代物理或逻辑整体,比如物理设备、物理设备的一部分或软件例程。
实现上述各个实施例的功能的设备比如控制单元100可以至少部分地通过具有适当软件的计算机等信号处理设备实现。适当的信号处理设备的示例为可编程逻辑控制器(PLC)。这样的计算机或信号处理设备有利地至少包括提供算术运算使用的存储区域的随机存取存储器(RAM)以及执行算术运算的处理器(CPU)比如通用数字信号处理处理器(DSP)。处理器可以包括寄存器组、算术逻辑单元和处理器控制单元。处理器控制单元用从随机存取存储器传递到处理器的程序命令序列控制。处理器控制单元可以包括用于基本运算的微命令。微命令的执行可以取决于处理器的结构而变化。程序命令可以用编程语言编码,编程语言可以是高级编程语言比如C、Java等,也可以是低级编程语言比如机器语言或汇编程序。计算机还可以包括操作***,操作***可以为用编程命令编写的计算机程序提供***服务。实现本发明或其一部分的计算机或其他设备比如控制单元100等可以包括适当的输入装置和输出装置,输入装置例如用于从用户和/或其他设备接收控制信息或测量信息,输出装置例如用于输出告警与通知和/或控制数据以及用于控制其他设备。设备可以另外包括适当的用户接口,通过该用户接口用户例如可以设置需要的参数。还可以使用特定集成电路比如ASIC(专用集成电路)和/或分立部件或其他设备来实现根据不同的实施例的各种实施例功能。
上述不同的实施例可以在现有***比如电驱动器或其部件中实现,比如整流器或变频器,并且/或者可以以集中或分布方式使用分立元件和设备。现有的用于电驱动器的设备比如整流器和变频器通常包括可以用于实现不同实施例的功能的处理器和存储器。因此,实现本发明的不同实施例所需要的所有改变和配置至少可以部分地使用软件例程执行,该软件例程进而可以实现为添加的或更新的软件例程。如果不同实施例的功能通过软件实现,则该软件可以提供为包括计算机程序代码的计算机程序产品,该计算机程序代码在计算机上的运行使得计算机或对应的硬件根据上述不同实施例执行本发明的功能。这种类型的计算机程序代码可以存储或者一般包含在计算机可读介质比如适当的存储介质(例如闪存或光存储器)中,可以从计算机可读介质中将它读取到运行程序代码的一个或更多个单元。另外,这种类型的程序代码可以加载到一个或多个单元上用于在适当的数据网络上运行,并且它可以代替或更新可能存在的程序代码。
本领域的技术人员容易明白,随着技术进步,本发明的基本思想可以以多种不同的方式实现。从而,本发明及其实施例不限于上述示例,而是可以在权利要求的范围内变化。
Claims (13)
1.一种用于三电平整流器的开关分支,包括:
第一二极管(D1;D11,D12,D13)和第一半导体开关(S1;S11,S12,S13),串联连接在正直流电压电极(Udc+)和中性直流电压电极(NP)之间;
第二二极管(D2;D21,D22,D23)和第二半导体开关(S2;S21,S22,S23),串联连接在负直流电压电极(Udc-)和中性直流电压电极(NP)之间;以及
晶闸管(T;T1,T2,T3)和第三二极管(D3;D31,D32,D33),串联连接在所述第一二极管和所述第一半导体开关之间的连接点与所述第二二极管和所述第二半导体开关之间的连接点之间,其中,所述晶闸管(T;T1,T2,T3)和所述第三二极管(D3;D31,D32,D33)之间的连接点连接至所述开关分支的交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3),其特征在于:
所述第一二极管(D1;D11,D12,D13)和所述第一半导体开关(S1;S11,S12,S13)属于特定于第一开关分支的半导体模块(10);
所述第二二极管(D2;D21,D22,D23)和所述第二半导体开关(S2;S21,S22,S23)属于特定于第二开关分支的半导体模块(20);以及
所述开关分支还包括:
a)控制装置(100),所述控制装置(100)被布置为在整流器中间电路的充电期间响应于所述整流器中间电路的电压和所述整流器的供电电压改变所述晶闸管(T;T1,T2,T3)的控制角;或者
b)充电装置(DL,RL,SL),用于对整流器中间电路进行充电;以及控制装置(100),被布置为在所述整流器中间电路的充电期间将所述晶闸管(T;T1,T2,T3)控制为非导通状态。
2.根据权利要求1所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于
所述晶闸管(T;T1,T2,T3)连接在所述第一二极管和所述第一半导体开关之间的所述连接点与所述开关分支的所述交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3)之间;以及
所述第三二极管(D3;D31,D32,D33)连接在所述第二二极管和所述第二半导体开关之间的所述连接点与所述开关分支的所述交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3)之间。
3.根据权利要求1所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于
所述晶闸管(T;T1,T2,T3)连接在所述第二二极管和所述第二半导体开关之间的所述连接点与所述开关分支的所述交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3)之间;以及
所述第三二极管(D3;D31,D32,D33)连接在所述第一二极管和所述第一半导体开关之间的所述连接点与所述开关分支的所述交流电压电极(AC;AC1,AC2,AC3)之间。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于所述晶闸管(T;T1,T2,T3)和所述第三二极管(D3;D31,D32,D33)属于特定于第三开关分支的半导体模块(30)。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于所述开关分支还包括:
第四二极管(D4;D41,D42,D43),与所述第一半导体开关(S1;S11,S12,S13)并联连接;以及
第五二极管(D5;D51,D52,D53),与所述第二半导体开关(S2;S21,S22,S23)并联连接。
6.根据权利要求5所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于
所述第四二极管(D4;D41,D42,D43)属于所述特定于第一开关分支的半导体模块(10);以及
所述第五二极管(D5;D51,D52,D53)属于所述特定于第二开关分支的半导体模块(20)。
7.根据权利要求1至3中的任意一项所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于所述开关分支还包括:
第三半导体开关(S3),与所述第一二极管并联连接;以及
第四半导体开关(S4),与所述第二二极管并联连接。
8.根据权利要求7所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于
所述第三半导体开关(S3)属于所述特定于第一开关分支的半导体模块(10);以及
所述第四半导体开关(S4)属于所述特定于第二开关分支的半导体模块(20)。
9.根据权利要求1所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于,在所述开关分支包括a)被布置为在整流器中间电路的充电期间响应于所述整流器中间电路的电压和所述整流器的供电电压改变所述晶闸管的控制角的控制装置(100)的情况下,所述控制装置(100)被布置为响应于所述整流器中间电路的电压值和所述整流器的供电电压值的比值或差改变所述晶闸管(T;T1,T2,T3)的控制角。
10.根据权利要求1所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于,在所述开关分支包括a)被布置为在整流器中间电路的充电期间响应于所述整流器中间电路的电压和所述整流器的供电电压改变所述晶闸管的控制角的控制装置(100)的情况下,所述控制装置(100)被布置为在所述整流器中间电路不充电时将所述晶闸管(T;T1,T2,T3)控制为二极管模式。
11.根据权利要求1所述的用于三电平整流器的开关分支,其特征在于,在所述开关分支包括a)被布置为在整流器中间电路的充电期间响应于所述整流器中间电路的电压和所述整流器的供电电压改变所述晶闸管的控制角的控制装置(100)的情况下,所述控制装置(100)被布置为响应于检测到的故障状态将所述晶闸管(T;T1,T2,T3)控制为非导通状态。
12.一种包括三个根据权利要求1至11中的任意一项所述的开关分支的三相三电平整流器。
13.根据权利要求12所述的整流器,其特征在于互连每个开关分支的所述正直流电压电极(Udc+),互连每个开关分支的所述负直流电压电极(Udc-),以及互连每个开关分支的所述中性直流电压电极(NP)。
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