DE102004033379A1 - AC and DC circuit coupling system for use in electric locomotive has transformer connected to pantograph and connected to circuit with two four-quadrant rectifiers - Google Patents

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Abstract

The locomotive has a pantograph (1) in contact with an overhead wire carrying high-voltage AC. The transformer (2) has two high-voltage windings (3a,3b) connected to the pantograph, in series with two low-voltage windings (4a,4b), connected to earth (9). The midpoints between the high-voltage and low-voltage windings are connected to first (5) and second (6) four-quadrant rectifiers. The DC outputs of the rectifiers are fed to pulse driven inverters (7,8).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, insbesondere in einer Lokomotive, über einen Transformator und einen nachgeschalteten Vierquadrantensteller.The The invention relates to a circuit arrangement for coupling an AC voltage network with a DC voltage intermediate circuit, in particular in a locomotive, via a Transformer and a downstream four-quadrant.

"Lokomotive" steht für ein beliebiges Schienentriebfahrzeug."Locomotive" stands for any railcar.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus dem Aufsatz "Moderne Drehstromantriebstechnik – Stand und Perspektiven" von Dr. Wolf-Dieter Weigel aus ZEVrail Glasers Annalen-126, 2002, bekannt. Dabei wird ein galvanisch arbeitender Transformator eingesetzt, mit dessen Sekundärwicklung zwei parallel geschaltete Vierquadrantensteller verbunden sind.A Such circuitry is from the article "Modern three-phase AC technology - Stand and perspectives "of Dr. Wolf-Dieter Weigel from ZEVrail Glasers Annalen-126, 2002, known. there a galvanic transformer is used with its secondary winding two parallel-connected four-quadrant plates are connected.

Es sind auch sogenannte Spartransformatoren bekannt, die sich dadurch auszeichnen, dass die Primär- und die Sekundärwicklung einen gemeinsamen Teil aufweisen und nicht mehr galvanisch getrennt sind.It are also known as autotransformers, which is characterized that the primary and the secondary winding have a common part and no longer galvanically isolated are.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der genannten Art anzugeben, die weniger Platz beansprucht und leichter ist als eine Anordnung mit galvanischem Transformator.Of the Invention is based on the object, a circuit arrangement of specify the type mentioned, which takes up less space and easier is as an arrangement with galvanic transformer.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Transformator ein Spartransformator ist, dass mindestens zwei Vierquadrantensteller vorhanden sind und jeder Vierquadrantensteller mit einer eigenen Unterspannungswicklung des Spartransformators verbunden ist, dass jede Unterspannungswicklung mit einer Oberspannungswicklung des Spartransformators in Serie geschaltet ist und dass nur ein Anschlusspunkt (Po tential) mit einem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden ist.The Task is according to the invention solved by that the transformer is an autotransformer that at least two four-quadrant plates are present and each four-quadrant plate with its own low-voltage winding of the autotransformer is connected to each low-voltage winding with a high-voltage winding of the autotransformer is connected in series and that only one Connection point (potential) with a ground point for operating earth connected is.

Oberspannungswicklung ist dabei die Primärwicklung und Unterspannungswicklung ist die Sekundärwicklung.High-voltage winding is the primary winding and undervoltage winding is the secondary winding.

Mit dem Einsatz eines Spartransformators wird der Vorteil erzielt, dass die Schaltungsanordnung deutlich kleiner und leichter ist als eine bisher übliche Anordnung, was besonders beim Einsatz in einer Lokomotive vorteilhaft ist.With the use of an autotransformer has the advantage that the circuit is much smaller and lighter than a previously common Arrangement, which is particularly advantageous when used in a locomotive is.

Es wird darüber hinaus der besondere Vorteil erzielt, dass mehr als zwei Vierquadrantensteller parallel angeordnet werden können, ohne dass die Funktionsweise des Transformators beeinträchtigt wird. Es werden also vorteilhaft zusätzliche Transformatorteile eingespart.It gets over it In addition, the particular advantage achieved that more than two four-quadrant can be arranged in parallel, without affecting the functioning of the transformer. So it will be advantageous additional Saved transformer parts.

Beispielsweise ist eine der mindestens zwei Unterspannungswicklungen des Spartransformators an ihrem freien Ende mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden.For example is one of the at least two low voltage windings of the autotransformer their free end connected to the ground point for farm ground.

Da der Transformator ein Spartransformator ist, bei dem die Wicklungen nicht galvanisch getrennt sind, wird der Vorteil erzielt, dass nur ein Anschlusspunkt, der mit Betriebserde verbunden ist, ausreicht.There the transformer is an autotransformer, in which the windings are not galvanically isolated, the advantage is achieved that only a connection point that is connected to the operating earth is sufficient.

Beispielsweise ist eine zweite Unterspannungswicklung des Spartransformators an ihrem freien Ende über einen Schalter mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden.For example is a second low voltage winding of the autotransformer on their free end over a switch connected to the ground point for operating earth.

Damit wird der Vorteil erzielt, dass, falls durch einen Defekt, z.B. am nachgeschalteten Vierquadrantensteller, die Verbindung der ersten Unterspannungswicklung mit der Betriebserde nicht möglich sein sollte, durch Schließen des Schalters eine zuverlässige Verbindung des Spartransformators mit der Betriebserde trotzdem gewährleistet ist.In order to the advantage is achieved that if, by a defect, e.g. at the Downstream four-quadrant, the connection of the first Undervoltage winding with the operating earth may not be possible should, by closing the switch a reliable Connection of the autotransformer with the operating earth anyway guaranteed is.

Beispielsweise sind die freien Enden von zwei oder mehr Unterspannungswicklungen über jeweils einen Schalter mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden.For example are the free ends of two or more undervoltage windings over each a switch connected to the ground point for operating earth.

Über jeden dieser Schalter, von denen mindestens einer geschlossen sein muss, ist dann eine Verbindung zum Erdungspunkt gewährleistet.About everyone this switch, at least one of which must be closed, then a connection to the earthing point is guaranteed.

Nach einem anderen Beispiel ist mindestens einer der Vierquadrantensteller über einen Kondensator mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden.To In another example, at least one of the four quadrant controllers is over one Capacitor connected to ground point for operating ground.

Es ist dabei möglich, den Kondensator am positiven oder am negativen Pol des Vierquadrantenstellers anzuschließen. Es wird der Vorteil erzielt, dass die Schaltungsanordnung eine zusätzliche Verbindung mit dem Erdungspunkt aufweist, die allein oder gleichzeitig mit den anderen Verbindungen eingesetzt werden kann.It is possible the capacitor at the positive or negative pole of the four-quadrant actuator to join. The advantage is achieved that the circuit arrangement has an additional Connection with the grounding point, alone or simultaneously can be used with the other compounds.

Durch den Kondensator ist gewährleistet, dass der im Vierquadrantensteller erzeugte Gleichstrom nicht zum Erdungspunkt abfließt.By the condenser ensures that the direct current generated in the four-quadrant generator not to the grounding point flows.

Beispielsweise ist mindestens einer der Vierquadrantensteller über einen ohnehin vorhandenen Kondensator mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden. Damit wird vorteilhaft ein zusätzlicher Kondensator eingespart.For example is at least one of the four-quadrant controller via an already existing capacitor with the grounding point for Operating earth connected. This is advantageous an additional capacitor saved.

Beispielsweise ist der ohnehin vorhandene Kondensator jeweils aus zwei hintereinander geschalteten Kondensatoren gebildet und ein Abzweigungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren steht mit dem Erdungspunkt für Betriebserde in Verbindung.For example, the already existing capacitor is in each case two consecutive GE switched capacitors formed and a junction point between the two capacitors is connected to the ground point for operating earth.

Beispielsweise ist der ohnehin vorhandene Kondensator ein Zwischenkreiskondensator oder ein Saugkreiskondensator.For example is the already existing capacitor an intermediate circuit capacitor or a Saugkreiskondensator.

Beispielsweise sind mindestens ein Anschluss, in der Regel aber mehrere Anschlüsse, der Schaltungsanordnung durch eine oder mehrere Überspannungsschutzvorrichtungen geschützt.For example are at least one connection, but usually several connections, the circuit arrangement by one or more overvoltage protection devices protected.

Es kann sich dabei um vorgeschaltete antiparallele Thyristoren mit Schutzzündeinrichtung handeln. Auch antiserielle Dioden, deren Sperrspannung sinnvoll begrenzt ist, sind möglich. Es wird der Vorteil erzielt, dass die gesamte Schaltungsanordnung durch geeignete Bauelemente, wie Varistoren oder Funkenstrecken, vor Überspannungen geschützt werden kann.It may be about upstream antiparallel thyristors with Schutzzündeinrichtung act. Also antiserial diodes whose blocking voltage makes sense is limited are possible. It achieves the advantage that the entire circuit arrangement by suitable components, such as varistors or spark gaps, against overvoltages to be protected can.

Beispielsweise sind Anschlüsse des Spartransformators durch Überspannungsschutzvorrichtungen geschützt.For example are connections of the autotransformer by overvoltage protection devices protected.

Beispielsweise haben mindestens zwei Spartransformatoren einen gemeinsamen Transformatorkern. Damit wird die Schaltungsanordnung weiter vereinfacht und sie hat darüber hinaus ein relativ geringes Gewicht, was beim Einsatz in einer Lokomotive von großer Bedeutung ist.For example At least two autotransformers have a common transformer core. Thus, the circuit arrangement is further simplified and it has about that In addition, a relatively low weight, which when used in a locomotive of great Meaning is.

Mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass mehrere Vierquadrantensteller an einen Spartransformator, der ein relativ geringes Gewicht hat, angeschlossen werden können, ohne dass die Zuverlässigkeit bei der Verbindung mit Betriebserde leidet.With the circuit arrangement according to the invention is in particular the Advantage that several four-quadrant actuators are connected to an autotransformer, which has a relatively low weight, can be connected without that reliability at the connection with operating earth suffers.

Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsordnung nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:One embodiment the circuit arrangement according to the invention will be explained in more detail with reference to the drawing:

1 zeigt eine Grundform der Schaltungsanordnung mit einem Spartransformator und zwei nachgeschalteten Vierquadrantenstellern, die parallel geschaltet sind. 1 shows a basic form of the circuit arrangement with an autotransformer and two downstream four-quadrant actuators connected in parallel.

2 zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnung, bei der für den Fall eines Defekts eine Verbindung mit dem Erdungspunkt für Betriebserde auf unterschiedliche Weise möglich ist. 2 shows a corresponding circuit arrangement in which in the event of a defect, a connection to the ground point for operating earth is possible in different ways.

3 zeigt eine ähnliche Schaltungsanordnung, bei der eine Verbindung mit dem Erdungspunkt für Betriebserde von einem Kondensator im Vierquadrantensteller ausgeht. 3 shows a similar circuit arrangement in which a connection to the earth point for operating earth emanates from a capacitor in the four-quadrant controller.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile.Same Reference numerals designate like components.

Bei einer Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis ist einem Stromabnehmer 1 ein Spartransformator 2 nachgeschaltet. Dieser besteht aus Oberspannungswicklungen 3a und 3b und zugeordneten Unterspannungswicklungen 4a und 4b. An jeder der Unterspannungswicklungen 4a, 4b ist über einen Vierquadrantensteller 5, 6 ein Pulswechselrichter 7, 8 angeschlossen. Die Pulswechselrichter 7, 8 stehen z.B. mit nicht gezeigten Motoren in Verbindung.In a circuit arrangement for coupling an AC voltage network with a DC voltage intermediate circuit is a current collector 1 an autotransformer 2 downstream. This consists of high voltage windings 3a and 3b and associated undervoltage windings 4a and 4b , At each of the low voltage windings 4a . 4b is about a four-quadrant 5 . 6 a pulse inverter 7 . 8th connected. The pulse inverters 7 . 8th are for example connected to motors not shown.

Nach 1 steht nur eine der Unterspannungswicklungen 4b mit einem Erdungspunkt 9 für Betriebserde in Verbindung. Weitere Erdungspunkte sind bei der Verwendung eines Spartransformators 2 nicht erforderlich. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist also einfach und trotzdem zuverlässig aufgebaut. Insbesondere ist das Gewicht des Spartransformators 2 deutlich geringer als das Gewicht bisher verwendeter Transformatoren, so dass die gesamte Schaltungsanordnung besonders leicht ist, was grade beim Einsatz in einer Lokomotive von Bedeutung ist.To 1 there is only one of the undervoltage windings 4b with a grounding point 9 for operating earth in connection. Other grounding points are when using an autotransformer 2 not mandatory. The circuit arrangement according to the invention is thus simple and nevertheless reliable. In particular, the weight of the autotransformer 2 significantly lower than the weight of previously used transformers, so that the entire circuit is particularly light, which is just when used in a locomotive of importance.

2 zeigt eine Variante der 1, bei der die Vierquadrantensteller 5, 6 über Schaltvorrichtungen 10, 11 mit der jeweiligen Unterspannungswicklung 4a, 4b des Spartransformators 2 verbunden sind. Es kann also ein defekter Vierquadrantensteller 5, 6 sofort abgetrennt werden. Falls dann die Verbindung der Schaltungsanordnung mit dem Erdungspunkt 9 für Betriebserde nicht mehr gewährleistet wäre, könnte die Schaltungsanordnung nicht weiter betrieben werden. Deshalb ist das von der Oberspannungswicklung 3a abgewandte Ende der anderen Unterspannungswicklung 4a über eine Verbindungsleitung 12, in der sich ein Schalter 13 befindet, mit dem Erdungspunkt 9 für Betriebserde verbunden. Durch Schließen des Schalters 13 kann also im Bedarfsfall auf einem alternativen Weg eine Verbindung der Schaltungsanordnung mit dem Erdungspunkt 9 für Betriebserde ermöglicht werden. 2 shows a variant of 1 in which the four-quadrant plates 5 . 6 via switching devices 10 . 11 with the respective low-voltage winding 4a . 4b of the autotransformer 2 are connected. So it can be a broken four-quadrant 5 . 6 be separated immediately. If then the connection of the circuit arrangement with the grounding point 9 would no longer be guaranteed for plant earth, the circuit could not continue to operate. That's why it's from the high voltage winding 3a opposite end of the other low-voltage winding 4a over a connecting line 12 in which there is a switch 13 located, with the grounding point 9 connected to farm ground. By closing the switch 13 Thus, if necessary, in an alternative way, a connection of the circuit arrangement with the grounding point 9 be allowed for plant earth.

3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die weitgehend mit den Vorrichtungen nach den 1 und 2 übereinstimmt, jedoch zusätzliche Erdungspunkte 14 für Betriebserde aufweist. Dabei kann jeder der gezeigten zusätzlichen Erdungspunkte 14 allein vorhanden sein. Beispielsweise ist mindestens einer der Vierquadrantensteller 5, 6 über einen Kondensator 15 mit einem zusätzlichen Erdungspunkt 14a für Betriebserde verbunden. Nach anderen Beispielen sind ohnehin vorhandene Kondensatoren 16 der Vierquadrantensteller 5, 6 mit einem zusätzlichen Erdungspunkt 14b für Betriebserde verbunden. Es kann auch ein Kondensator, der einem oder beiden Vierquadrantenstellern 5, 6 zugeordnet ist, in der Form von zwei hintereinander geschalteten Kondensatoren 17 und 18 aufgebaut sein, wobei dann zwischen diesen Kondensatoren 17 und 18 ein zusätzlicher Erdungspunkt 14c für Betriebserde angeschlossen ist. 3 shows a circuit arrangement that is largely with the devices according to the 1 and 2 matches, but additional grounding points 14 for operating earth. In this case, each of the additional grounding points shown 14 be present alone. For example, at least one of the four-quadrant plates 5 . 6 over a capacitor 15 with an additional grounding point 14a connected to farm ground. By other examples are already existing capacitors 16 the four-quadrant manufacturer 5 . 6 with egg an additional earthing point 14b connected to farm ground. It can also be a capacitor, the one or two four-quadrant 5 . 6 is assigned, in the form of two capacitors connected in series 17 and 18 be constructed, in which case between these capacitors 17 and 18 an additional grounding point 14c is connected for farm ground.

Wie bei der Ausführungsform nach 2 ist eine Unterspannungswicklung 4a über die Verbindungsleitung 12, in der sich der Schalter 13 befindet, mit dem Erdungspunkt 9 für Betriebserde verbunden. Zusätzlich steht diese Unterspannungswicklung 4a mit einem eigenen zusätzlichen Erdungspunkt 14c für Betriebserde in Verbindung.As in the embodiment according to 2 is a low voltage winding 4a over the connecting line 12 in which the switch 13 located, with the grounding point 9 connected to farm ground. In addition, this undervoltage winding is available 4a with its own additional grounding point 14c for operating earth in connection.

Da nicht alle Erdungspunkte 9, 14 stets benötigt werden, können diese durch Schalter 19 abgetrennt und bedarfsweise angeschlossen werden.Because not all grounding points 9 . 14 Always needed, these can be through switches 19 separated and connected as needed.

Den Vierquadrantenstellern 5, 6 sind geeignete Überspannungsschutzvorrichtungen 20, von denen als Beispiel in 3 an tiserielle Dioden gezeigt sind, zum Schutz des Spartransformators 2 vorgeschaltet.The four-quadrant drivers 5 . 6 are suitable overvoltage protection devices 20 of which as an example in 3 shown on Tiserielle diodes, to protect the autotransformer 2 upstream.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung arbeitet zuverlässig und hat darüber hinaus ein relativ niedriges Gewicht, so dass sie sich besonders für den Einsatz in einer Lokomotive eignet.The Circuit arrangement according to the invention operates reliably and has about it In addition, a relatively low weight, making them particularly suitable for use in a locomotive.

Claims (11)

Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, insbesondere in einer Lokomotive, über einen Transformator und einen nachgeschalteten Vierquadrantensteller (5, 6), dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator ein Spartransformator (2) ist, dass mindestens zwei Vierquadrantensteller (5, 6) vorhanden sind und jeder Vierquadrantensteller (5, 6) mit einer eigenen Unterspannungswicklung (4a, 4b) des Spartransformators (2) verbunden ist, dass jede Unterspannungswicklung (4a, 4b) mit einer Oberspannungswicklung (3a, 3b) des Spartransformators (2) in Serie geschaltet ist und dass nur ein Anschlusspunkt (Potential) mit einem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden ist.Circuit arrangement for coupling an AC voltage network with a DC voltage intermediate circuit, in particular in a locomotive, via a transformer and a downstream four-quadrant controller ( 5 . 6 ), characterized in that the transformer is an autotransformer ( 2 ) is that at least two four-quadrant ( 5 . 6 ) are present and each four-quadrant ( 5 . 6 ) with its own low-voltage winding ( 4a . 4b ) of the autotransformer ( 2 ), that each undervoltage winding ( 4a . 4b ) with a high-voltage winding ( 3a . 3b ) of the autotransformer ( 2 ) is connected in series and that only one connection point (potential) with a grounding point ( 9 ) is connected to farm ground. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mindestens zwei Unterspannungswicklungen (4b) des Spartransformators (2) an ihrem freien Ende mit dem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden ist.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that one of the at least two low-voltage windings ( 4b ) of the autotransformer ( 2 ) at its free end with the grounding point ( 9 ) is connected to farm ground. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Unterspannungswicklung (4a) des Spartransformators (2) an ihrem freien Ende über einen Schalter (13) mit dem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden ist.Circuit arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that a second low-voltage winding ( 4a ) of the autotransformer ( 2 ) at its free end via a switch ( 13 ) with the grounding point ( 9 ) is connected to farm ground. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden von zwei oder mehr Unterspannungswicklungen (4a, 4b) über jeweils einen Schalter (13) mit dem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden sind.Circuit arrangement according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the free ends of two or more low-voltage windings ( 4a . 4b ) via a switch ( 13 ) with the grounding point ( 9 ) are connected to farm ground. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Vierquadrantensteller (5, 6) über einen Kondensator (15) mit dem Erdungspunkt (14) für Betriebserde verbunden ist.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the four-quadrant ( 5 . 6 ) via a capacitor ( 15 ) with the grounding point ( 14 ) is connected to farm ground. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Vierquadrantensteller (5, 6) über einen ohnehin vorhandenen Kondensator (1618) mit dem Erdungspunkt (14) für Betriebserde verbunden ist.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the four-quadrant ( 5 . 6 ) via an already existing capacitor ( 16 - 18 ) with the grounding point ( 14 ) is connected to farm ground. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ohnehin vorhandene Kondensator jeweils aus zwei hintereinander geschalteten Kondensatoren (17 und 18) gebildet ist und ein Abzweigungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren (17 und 18) mit dem Erdungspunkt (14) für Betriebserde in Verbindung steht.Circuit arrangement according to Claim 6, characterized in that the capacitor, which is present in any case, in each case consists of two capacitors connected in series ( 17 and 18 ) is formed and a junction point between the two capacitors ( 17 and 18 ) with the grounding point ( 14 ) for farm ground. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ohnehin vorhandene Kondensator (1618) ein Zwischenkreiskondensator oder ein Saugkreiskondensator ist.Circuit arrangement according to one of claims 6 or 7, characterized in that the already existing capacitor ( 16 - 18 ) is an intermediate circuit capacitor or a Saugkreiskondensator. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse durch Überspannungsschutzvorrichtungen (20) geschützt sind.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that connections by overvoltage protection devices ( 20 ) are protected. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse des Spartransformators (2) durch Überspannungsschutzvorrichtungen (20) geschützt sind.Circuit arrangement according to Claim 9, characterized in that connections of the autotransformer ( 2 ) by overvoltage protection devices ( 20 ) are protected. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Spartransformatoren (2) einen gemeinsamen Transformatorkern haben.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least two autotransformers ( 2 ) have a common transformer core.
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