JP4066156B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの可変速制御を行うインバータ・サーボドライブや系統連係する電力変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の３相３レベルインバータとして図７に示すようなものがある。
この３相３レベルインバータは、上位コントローラから出力された指令電圧を基に、ＰＷＭパルス発生回路がＰＷＭパルスを発生しスイッチ素子をオン・オフする信号を出力するものである。
ＰＷＭパルス発生回路のＰＷＭパルス発生方法としては、３相の電圧指令と２つの三角波キャリヤを比較してＰＷＭパルスを作成する三角波比較型ＰＷＭ方式や、特開平０５−２９２７５４号に開示されている空間ベクトルの概念を使用してベクトル量として指令電圧を与えて所望の出力電圧のＰＷＭパルスを作成する空間ベクトル型ＰＷＭ方式が一般的である。
【０００３】
特開平０５−２９２７５４号の場合は、ＰＷＭインバータの、各４つ直列接続されたスイッチ素子の上側２つがオンすると相出力端子が直流電源の正極Ｐに接続される状態（Ｐ状態）、真中の２つのＳＷがオンすると相出力端子がクランプ素子（ダイオード）を介して直流電源の中性点出力端子０に接続される状態（０状態）、下側の２つのＳＷがオンすると相出力端子は直流電源の負極Ｎに接続される状態（Ｎ状態）として、出力できるベクトルの図を図８に示す。図８には２７個のベクトル（２７個のベクトル記号ＰＮＮ、ＰＰＮ、Ｐ０Ｎ、Ｐ００、ＰＰ０、０ＮＮ、００Ｎ、ＰＰＰ、０００、ＮＮＮ…、を１０個のベクトル名称ａ、ｂ、ｃ、ａP 、ｂP 、ａN 、ｂN 、０P 、０0 、０N 、で表している）と、領域Ａ〜Ｆを各４分割した、合計２４個の領域Ａ１〜Ｆ４が示されている。
そして、与えられた指令電圧ベクトルが領域Ａ〜Ｆの中のどの領域に在るかを判定し、指令電圧ベクトルの先端に近接する少なくとも３つのベクトルを選択して、その各電圧ベクトルの出力時間はＰＷＭ周期の平均で、指令電圧ベクトルと一致するように演算される。
いま、変調度ｋとして（θ、ｋ）で表される極座標形式による電圧指令が、ＡＢＣＤＥＦのどの区間にあるか判定して、仮に、Ａ１領域にあって、電圧指令ベクトルが振幅Ｖで角度θならば、キャリヤ周期Ｔの間の電圧指令ベクトルの電圧時間積は複素数計算により、ＶＴｅｘｐ（ｊθ）＝ＶＴｃｏｓθ＋ｊＶｓｉｎθとなる。
一方、領域Ａ１の３つのベクトルＶ0 、Ｖ1 、Ｖ2 をそれぞれＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 時間発生した場合の電圧時間積は、Ｖ0 ・Ｔ1 ＋Ｖ1 ・Ｔ2 ＋Ｖ2 ・Ｔ3 となる。
なお、Ｖ0 は図８に示すゼロ・ベクトル０P ＝ＰＰＰ、０0 ＝０００、０N ＝ＮＮＮの複素数表示が全て０になるベクトル。
Ｖ1 は電圧ベクトルａP ＝Ｐ００、ａN ＝０ＮＮの複素数表示が共に１／２になるベクトル。
Ｖ2 は電圧ベクトルｂP ＝ＰＰ０、ｂN ＝００Ｎの複素数表示は共に１／４＋ｊ・３／４となるベクトル、を表す。
従って、パルス発生時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、
ＶO Ｔ1 ＋Ｖ1 Ｔ2 ＋Ｖ2 Ｔ3 ＝ＶＴｃｏｓθ＋ｊＶＴｓｉｎθ、
Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＝Ｔ
より、前条件Ｖ0 ＝０、Ｖ1 ＝１／２、Ｖ2 ＝１／４＋・３／４を代入、整理すれば、
（１／２）Ｔ２＋（１／４）Ｔ３＝ＶＴｃｏｓθ（・３／４）Ｔ３＝ＶＴｓｉｎθ、となりこれを解けば、
Ｔ１＝Ｔ（１−２ｋｓｉｎ（θ＋π／３））
Ｔ２＝２ｋＴｓｉｎ（π／３−θ）
Ｔ３＝２ｋｔｓｉｎθ、
と求められる。このＴ１、Ｔ２、Ｔ３は、領域Ａ１、Ｂ１、Ｄ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１に共通となる。
同様に、領域Ａ２〜Ｆ２のＴ１、Ｔ２、Ｔ３も以下のように求められる。
Ｔ１＝２Ｔ（１−ｋｓｉｎ（θ＋π／３））
Ｔ２＝Ｔ（２ｋｓｉｎ（π／３−θ）−１）
Ｔ３＝２ｋＴｓｉｎθ
同様にして、領域Ａ３〜Ｆ３、領域Ａ４〜Ｆ４、の４領域の発生時間も決定できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では図７に示すような正弦波状の電圧指令と、三角波を比較するＰＷＭの場合は、ＰＷＭパルス幅の演算をする必要がないためにＰＷＭパルスを高速に出力できるが、一定のパターンのＰＷＭパルスしか出力できず、効率のよいＰＷＭパルスを発生させるには、特開平０５−２９２７５４号のように空間ベクトルの概念を利用したＰＷＭ発生方法を使用する方がよい。
しかし、空間ベクトルの概念を利用すると、図８に示した２７の出力電圧ベクトルをＰＷＭパルスとして出力するので、ＰＷＭパルス幅の演算と、多数の場合分けの判断が必要になり、ＰＷＭ発生のための演算時間が長くなるという問題があった。
更に、ＰＷＭ発生器は指令として、３相の出力電圧指令を入力されることが多く、その場合には３相の出力電圧指令からベクトルに変換する演算も必要となり更に、演算時間が増加するといった問題があった。
そこで、本発明は空間ベクトル方式と同じＰＷＭパルスを３相電圧指令から演算する演算方式として、高速な演算周期にも適応可能で、安価で高速な３レベルインバータ及びサーボアンプを実現可能にする電力変換装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は電力変換装置に係り、３相電圧指令を入力してパルス幅を演算しＰＷＭパルスを出力するＰＷＭ発生器を備え、前記３相電圧指令の中で最大値Ｖｍａｘ、中間値Ｖｍｉｄ、最低値Ｖｍｉｎとなる相から出力電圧の電気角を判断し、差分電圧１、Ｖａ（Ｖａ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｄ）、および差分電圧２、Ｖｂ（Ｖｂ＝Ｖｍｉｄ−Ｖｍｉｎ）から、前記ＶａおよびＶｂを前記電力変換装置の線間出力電圧の最大値で正規化した値とすると、Ｖａ＋Ｖｂ≦０．５ならば第１領域、Ｖａ＋Ｖｂ＞１．０ならば第５領域（過変調領域）、０．５≦Ｖａ＋Ｖｂ≦１．０で、Ｖａ＞０．５ならば第２領域、Ｖｂ＞０．５ならば第４領域、上記以外ならば第３領域、と５つの領域を判定する３相３レベル電力変換装置において、３相３レベル電力変換装置の出力できる２７個のベクトルを１０個のベクトル名称に対応させ、ベクトルの各出力時間幅をキャリア周期で正規化した値を、Ｔａ：ａベクトルの出力時間、Ｔｂ：ｂベクトルの出力時間、Ｔｃ：ｃベクトルの出力時間、Ｔａｐ：ａｐベクトルの出力時間、Ｔａｎ：ａｎベクトルの出力時間、Ｔｂｐ：ｂｐベクトルの出力時間、Ｔｂｎ：ｂｎベクトルの出力時間、Ｔｏｐ：０ｐベクトルの出力時間、Ｔｏｏ：０ｏベクトルの出力時間、Ｔｏｎ：０ｎベクトルの出力時間、とし、前記第１領域では、Ｔａｐ＋Ｔａｎ＝２×Ｖａ、Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝２×Ｖｂ、Ｔｏｐ＋Ｔｏｏ＋Ｔｏｎ＝１−２（Ｖａ＋Ｖｂ）の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、前記第２領域では、Ｔｃ＝２×Ｖｂ、Ｔａｐ＋Ｔａｎ＝２（１−Ｖａ−Ｖｂ）、Ｔａ＝２×Ｖａ−１、の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、前記第３領域では、Ｔｃ＝２（Ｖａ＋Ｖｂ）−１、Ｔａｐ＋Ｔａｎ＝１−２×Ｖｂ、Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝１−２×Ｖａ、の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、前記第４領域では、Ｔｃ＝２×Ｖａ、Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝２（１−Ｖａ−Ｖｂ）、Ｔｂ＝２×Ｖｂ−１、の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、ＰＷＭパルス幅の演算方法を切替えることを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は請求項１記載の電力変換装置において、前記第５領域では、Ｖａ≧Ｖｂ ならば、Ｔａ＝Ｖａ（ただしＴａを1以下に制限）、Ｔｃ＝１−Ｔａ、Ｖａ＜Ｖｂならば、Ｔｂ＝Ｖｂ（ただしＴｂを1以下に制限）、Ｔｃ＝１−Ｔｂ、の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、ＰＷＭパルス幅の演算方法を切替えることを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る電力変換装置のＰＷＭ発生器の構成を示す図である。
図２は図１に示すＰＷＭ発生器の相電圧指令と三角波キャリヤの関係を示す図である。
図３は図１に示すＰＷＭ発生器の領域判定テーブルを示す図である。
図１に示すＰＷＭ発生器（ＰＷＭパルス演算器）１は、上位コントローラより３相出力電圧指令Ｖｕ１、Ｖｖ２、Ｖｗ３を入力する。
３相出力電圧指令Ｖｕ１、Ｖｖ２、Ｖｗ３は、２レベルインバータの三角波比較ＰＷＭ発生方式の概念を基に、図２のように与えられ、各相４つのスイッチ素子の中で上側スイッチ信号の補完として下側スイッチ信号を生成する方式等により、３レベルインバータのスイッチングに必要な６種類のＰＷＭパルス５〜１０を発生させる。
以下、３相の電圧指令Ｖｕ１、Ｖｖ２、Ｖｗ３は図２のように三角波と比較されるように正規化されているとし説明すると、電力変換装置の線間出力電圧の最大値が１．０となり、実際の最大値は図７の母線電圧２×Ｅｄと等しくなる。
【０００７】
つぎに動作について、ＰＷＭパルス幅の演算処理を手順に従って詳細に説明する。
（１）、領域の判定１。
先ず、Ｓｔｅｐ１として、粗領域の判定処理を行う。
電圧指令の電圧ベクトルの領域が、図８に示す空間ベクトル領域の中で、Ａ〜Ｆのどの領域に存在するか決定する。
具体的には、図２に示すような各Ｖｕ１、Ｖｖ２、Ｖｗ３の瞬時の相電圧の中で最大の値を持つ相と、最低の値を持つ相から、図３の判定テーブルを用いて、最大値がＶｕ１、最低値がＶｗ３の場合は領域Ａ等と判定する。
（２）、線間電圧の計算。
次に、Ｓｔｅｐ２として、線間電圧の計算を行う。
最大の値を持つ相電圧をＶｍａｘ、中間の相電圧をＶｍｉｄ、最低の相電圧をＶｍｉｎ、図８のａベクトル方向の線間電圧の大きさをＶａ、ｂベクトル方向の線間電圧の大きさをＶｂとすると、
Ｖａ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｄ
Ｖｂ＝Ｖｍｉｄ−Ｖｍｉｎ となる。
【数１】

なお、図４は、図８のＡ〜Ｆ領域からＡ領域のみを例にとって説明しているが、他の領域の場合には、その領域の図形を回転又は対称に変換して考えればよい。
（３）、領域の判定２。
続いて、Ｓｔｅｐ３として、Ａ領域を更にＡ１〜Ａ４に分割した小領域と過変調領域のＡ５に関して、更に、密な領域判定を行う。
電圧指令ベクトルが１〜５（Ａ領域ならＡ１〜Ａ５）のどの領域に存在するか判定する。
１、Ｖａ＋Ｖｂ≦０．５ ならば、１領域
２、Ｖａ＋Ｖｂ＞１ ならば、第５領域（過変調領域）
０．５≦Ｖａ＋Ｖｂ≦１で、
３、Ｖａ＞０．５ ならば、２領域
４、Ｖｂ＞０．５ ならば、４領域
５、１〜４以外 ならば、３領域
と領域を細かく判定する。
（４）、各ベクトルの出力時間幅の計算。
Ｓｔｅｐ４として、出力時間幅の計算を行う。
Ｔａ：ａベクトルの出力時間
Ｔｂ：ｂベクトルの出力時間
Ｔｃ：ｃベクトルの出力時間
Ｔａｐ：ａｐベクトルの出力時間
Ｔａｎ：ａｎベクトルの出力時間
Ｔｂｐ：ｂｐベクトルの出力時間
Ｔｂｎ：ｂｎベクトルの出力時間
Ｔ０ｐ：０ｐベクトルの出力時間
Ｔ０ｏ：０ｏベクトルの出力時間
Ｔ０ｎ：０ｎベクトルの出力時間
とし、各時間はＰＷＭキャリヤ周期で正規化されているとする。
【０００８】
Ａ１領域の計算。
2レベルインバータならば、１の長さを持つａベクトルをＴａ＝Ｖａ時間出力し、１の長さを持つｂベクトルをＴｂ＝Ｖｂ出力すれば良いが、3レベルインバータではＡ１領域でａｐ、ａｎ、ｂｐ、ｂｎベクトルを使って電圧を出力しなければならない。従って、図４より、ａｐ、ａｎ、ｂｐ、ｂｎベクトルは０．５の長さとなるので、比率で考えれば、ａｐ、ａｎベクトルの時間はＶａの2倍と等しく、ｂｐ、ｂｎベクトルの時間はＶｂの2倍と等しくなる。
従って、各ベクトルの時間は、
Ｔａｐ＋Ｔａｎ＝２×Ｖａ
Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝２×Ｖｂ
Ｔｏｐ＋Ｔｏｏ＋Ｔｏｎ＝１−２（Ｖａ＋Ｖｂ）
その他のベクトルの時間は零、と演算する。
【０００９】
Ａ２領域の計算。
Ａ２領域の計算は、図５よりｂベクトル方向の成分をｃベクトルで出力するには、ｃベクトル方向の成分はＶｂの２倍と同じ比率とする必要があり、ａベクトル成分はｃベクトルによるａベクトル成分の値を引き算してＶａ−Ｖｂとする必要があるから、時間の関係は、
（Ｔａｐ＋Ｔａｎ）／２ ＋Ｔａ＝Ｖａ−Ｖｂ
Ｔａｐ＋Ｔａｎ＋Ｔａ＋Ｔｃ＝１
となるので、各ベクトルの時間は、
Ｔｃ ＝２×Ｖｂ
Ｔａｐ＋Ｔａｎ＝２（１−Ｖａ−Ｖｂ）
Ｔａ ＝２×Ｖａ−１
その他のベクトルの時間は零と演算する。
【００１０】
Ａ４領域の計算。
Ａ４領域の計算は、Ａ２領域の考え方と同じで、Ｖａ、Ｖｂが逆転するだけであるから、各ベクトルの時間は、
Ｔｃ ＝２×Ｖａ
Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝２（１−Ｖａ−Ｖｂ）
Ｔｂ ＝２×Ｖｂ−１
その他のベクトルの時間は零と演算する。
【００１１】
Ａ３領域の計算。
Ａ３領域の計算は、図６よりｃベクトルに垂直な成分から、

ｃベクトル成分から、
（Ｔａｐ＋Ｔａｎ）／２＋（Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ）／２＋Ｔｃ＝Ｖａ＋Ｖｂ
各ベクトルの時間和は１であるから、
Ｔａｐ＋Ｔａｎ＋Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝１
より、各ベクトルの時間は、
Ｔｃ ＝２（Ｖａ＋Ｖｂ）−１
Ｔａｐ＋Ｔａｎ ＝１−２×Ｖｂ
Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ ＝１−２×Ｖａ
その他のベクトルの時間は零と演算する。
Ａ５（過変調領域）の計算。
Ａ５領域の計算は、Ａ５領域ではａ、ｂ、ｃベクトルを選択して電圧を出力するが、この領域では指令と同じ電圧を電力変換装置が出力できないので、出力電圧は歪んだ電圧となってしまう。歪みを少なくする場合、出力電圧をなるだけ高くする場合で、各ベクトルの時間は変わってくるので、ここでは例として出力電圧をなるだけ高くする場合で説明する。
（１）Ｖａ≧Ｖｂならば、
Ｔａ＝Ｖａ（ただしＴａを１以下に制限）、
Ｔｃ＝１−Ｔａ
その他のベクトルの時間は零と演算する。
（２）Ｖａ＜Ｖｂならば、
Ｔｂ＝Ｖｂ（ただしＴｂを１以下に制限）、
Ｔｃ＝１−Ｔｂ
その他のベクトルの時間は零と演算する。
とする。
このように、本発明によれば、指令電圧ベクトルの位置判定と、３つのベクトルの出力時間演算が、ｓｉｎ、ｃｏｓの演算を使わず非常に簡単な手法により、高速、効率的に行うことが可能になる。また、これらの演算をＣＰＵを使わずロジック回路のみで安価に構成することも可能である。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電圧指令を３相の電圧指令で与え３相電圧指令の中で最大値Ｖｍａｘ、中間値Ｖｍｉｄ、最低値Ｖｍｉｎとなる相から電気角を判断して、ＡＢＣＤＥＦ等の電圧指令の在る領域を判定し、Ｖａ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｄ、Ｖｂ＝Ｖｍｉｄ−Ｖｍａｘを演算して、Ｖａ、Ｖｂを基に、各領域を更に４領域に再分割して、その領域毎に演算方法を切替えるので、簡単、且つ、高速にＰＷＭパルス幅の演算が可能になり、サーボの高速な演算周期にも適応できて、安価で高速な３レベルサーボアンプを実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換装置のＰＷＭ発生器の構成図である。
【図２】図１に示すＰＷＭ発生器の相電圧指令と三角波キャリヤの関係図である。
【図３】図１に示すＰＷＭ発生器の領域判定テーブルを示す図である。
【図４】図１に示すＰＷＭ発生器の空間ベクトルと電圧の関係を示す図である。
【図５】図４に示す空間ベクトルのＡ２領域の説明図である。
【図６】図４に示す空間ベクトルのＡ３領域の説明図である。
【図７】従来の３レベルインバータの回路図である。
【図８】図７に示す３レベルインバータの空間ベクトル図である。
【符号の説明】
１ ＰＷＭ発生器
２ Ｕ相電圧指令
３ Ｖ相電圧指令
４ Ｗ相電圧指令
５ Ｕ１相ＰＷＭパルス
６ Ｖ１相ＰＷＭパルス
７ Ｗ１相ＰＷＭパルス
８ Ｕ２相ＰＷＭパルス
９ Ｖ２相ＰＷＭパルス
１０ Ｗ２相ＰＷＭパルス

Claims (2)

1. ３相電圧指令を入力してパルス幅を演算しＰＷＭパルスを出力するＰＷＭ発生器を備え、
   前記３相電圧指令の中で最大値Ｖｍａｘ、中間値Ｖｍｉｄ、最低値Ｖｍｉｎとなる相から出力電圧の電気角を判断し、
   差分電圧１、Ｖａ（Ｖａ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｄ）、および
   差分電圧２、Ｖｂ（Ｖｂ＝Ｖｍｉｄ−Ｖｍｉｎ）から、
   前記ＶａおよびＶｂを前記電力変換装置の線間出力電圧の最大値で正規化した値とすると、
   Ｖａ＋Ｖｂ≦０．５ ならば第１領域、
   Ｖａ＋Ｖｂ＞１．０ ならば第５領域（過変調領域）、
   ０．５≦Ｖａ＋Ｖｂ≦１．０で、
   Ｖａ＞０．５ ならば第２領域
   Ｖｂ＞０．５ ならば第４領域
   上記以外 ならば第３領域
   と５つの領域を判定する３相３レベル電力変換装置において、
   ３相３レベル電力変換装置の出力できる２７個のベクトルを１０個のベクトル名称に対応させ、ベクトルの各出力時間幅をキャリア周期で正規化した値を
   Ｔａ：ａベクトルの出力時間
   Ｔｂ：ｂベクトルの出力時間
   Ｔｃ：ｃベクトルの出力時間
   Ｔａｐ：ａｐベクトルの出力時間
   Ｔａｎ：ａｎベクトルの出力時間
   Ｔｂｐ：ｂｐベクトルの出力時間
   Ｔｂｎ：ｂｎベクトルの出力時間
   Ｔｏｐ：０ｐベクトルの出力時間
   Ｔｏｏ：０ｏベクトルの出力時間
   Ｔｏｎ：０ｎベクトルの出力時間
   とし、
   前記第１領域では
   Ｔａｐ＋Ｔａｎ＝２×Ｖａ、
   Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝２×Ｖｂ、
   Ｔｏｐ＋Ｔｏｏ＋Ｔｏｎ＝１−２（Ｖａ＋Ｖｂ）
   の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、
   前記第２領域では
   Ｔｃ＝２×Ｖｂ
   Ｔａｐ＋Ｔａｎ＝２（１−Ｖａ−Ｖｂ）
   Ｔａ＝２×Ｖａ−１
   の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、
   前記第３領域では、
   Ｔｃ＝２（Ｖａ＋Ｖｂ）−１
   Ｔａｐ＋Ｔａｎ＝１−２×Ｖｂ
   Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝１−２×Ｖａ
   の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、
   前記第４領域では、
   Ｔｃ＝２×Ｖａ
   Ｔｂｐ＋Ｔｂｎ＝２（１−Ｖａ−Ｖｂ）
   Ｔｂ＝２×Ｖｂ−１
   の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、
   ＰＷＭパルス幅の演算方法を切替えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において
   前記第５領域では、
   Ｖａ≧Ｖｂ ならば、
   Ｔａ＝Ｖａ（ただしＴａを1以下に制限）
   Ｔｃ＝１−Ｔａ
   Ｖａ＜Ｖｂならば、
   Ｔｂ＝Ｖｂ（ただしＴｂを１以下に制限）
   Ｔｃ＝１−Ｔｂ
   の関係式を満足するようベクトル出力時間を決定し、その他のベクトル時間は零とし、
   ＰＷＭパルス幅の演算方法を切替えることを特徴とする電力変換装置。

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