JPH05176584A - 電力変換器の制御装置 - Google Patents
電力変換器の制御装置Info
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- JPH05176584A JPH05176584A JP3345198A JP34519891A JPH05176584A JP H05176584 A JPH05176584 A JP H05176584A JP 3345198 A JP3345198 A JP 3345198A JP 34519891 A JP34519891 A JP 34519891A JP H05176584 A JPH05176584 A JP H05176584A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 電動機の構造により発生するトルク脈動成分
を低減、消去する。 【構成】 電流制御回路2は、出力電流指令値i* と検
出された出力電流iとの電流偏差から出力電圧指令値e
* を算出する。パルス幅変調回路3は、この出力電圧指
令値e* をパルスに変換し、電力変換器主回路4の各半
導体素子をスイッチングし、これにより、同期電動機5
を回転制御する。重畳成分発生回路6a、6bは、エン
コーダ51からの位置信号θ及び出力電流指令の実効値
Iに基づき、電動機5の構造により発生するトルク脈動
を打ち消すための第5次調波指令値e5*および第7次調
波指令値e7*を発生し、基本波電圧指令値e1*に加え
る。これより、電力変換器4の出力電圧eは、第5次及
び第7次調波を含むことになり、これらの振幅、位相を
適当に選択すると、トルクに第12次脈動成分を発生さ
せて、電動機の構造により発生するトルク脈動成分を消
去することができる。
を低減、消去する。 【構成】 電流制御回路2は、出力電流指令値i* と検
出された出力電流iとの電流偏差から出力電圧指令値e
* を算出する。パルス幅変調回路3は、この出力電圧指
令値e* をパルスに変換し、電力変換器主回路4の各半
導体素子をスイッチングし、これにより、同期電動機5
を回転制御する。重畳成分発生回路6a、6bは、エン
コーダ51からの位置信号θ及び出力電流指令の実効値
Iに基づき、電動機5の構造により発生するトルク脈動
を打ち消すための第5次調波指令値e5*および第7次調
波指令値e7*を発生し、基本波電圧指令値e1*に加え
る。これより、電力変換器4の出力電圧eは、第5次及
び第7次調波を含むことになり、これらの振幅、位相を
適当に選択すると、トルクに第12次脈動成分を発生さ
せて、電動機の構造により発生するトルク脈動成分を消
去することができる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電力変換器の制御装置
に係り、特に、電動機を駆動制御するために使用して電
動機にトルク脈動を発生させることのない電力変換器の
制御装置に関する。
に係り、特に、電動機を駆動制御するために使用して電
動機にトルク脈動を発生させることのない電力変換器の
制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電力変換器を用いて電動機を駆動する場
合、電力変換器を構成する半導体素子のスイッチングに
伴ってその出力に発生する高調波成分に起因し、電動機
にトルク脈動が生じる。このトルク脈動は、電動機にお
ける騒音、振動や熱損失といった障害を引き起こすた
め、これを低減する必要がある。
合、電力変換器を構成する半導体素子のスイッチングに
伴ってその出力に発生する高調波成分に起因し、電動機
にトルク脈動が生じる。このトルク脈動は、電動機にお
ける騒音、振動や熱損失といった障害を引き起こすた
め、これを低減する必要がある。
【0003】このため、従来技術による電力変換器の制
御は、電力変換器の出力電圧に高調波成分が極力含まれ
ないように行い、駆動される電動機のトルク脈動が最小
となるような制御を行うものである。
御は、電力変換器の出力電圧に高調波成分が極力含まれ
ないように行い、駆動される電動機のトルク脈動が最小
となるような制御を行うものである。
【0004】前述したように、電動機を駆動する電力変
換器の出力電流は正弦波が好ましいとされ、電力変換器
は、出力電圧の高調波成分が極力低減されるように制御
されている。
換器の出力電流は正弦波が好ましいとされ、電力変換器
は、出力電圧の高調波成分が極力低減されるように制御
されている。
【0005】ところが、電動機は、コイル及びスロット
形状等に起因して起磁力分布が正弦波状とはならず、高
調波成分が含まれた分布となる。このことは、例えば、
「電気機器要論」(磯部直吉著、東京電機大学出版局)
第138頁〜第145頁に記載されている。
形状等に起因して起磁力分布が正弦波状とはならず、高
調波成分が含まれた分布となる。このことは、例えば、
「電気機器要論」(磯部直吉著、東京電機大学出版局)
第138頁〜第145頁に記載されている。
【0006】そして、前記従来技術は、このような電動
機の構造により発生するトルク脈動を低減あるいは消去
することについて配慮されていない。
機の構造により発生するトルク脈動を低減あるいは消去
することについて配慮されていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術は、
電力変換器の出力電圧の高調波成分を低減することによ
り、出力電圧の高調波成分による電動機のトルク脈動を
低減するというものであるが、電動機の巻線が均等に分
布せず集中的に設置されている場合等、電動機の構造に
よっては、この構造に起因する起磁力分布の高調波成分
により、たとえ電力変換器が完全な正弦波電圧を印加す
ることができても、トルク脈動を発生するという問題点
を有している。
電力変換器の出力電圧の高調波成分を低減することによ
り、出力電圧の高調波成分による電動機のトルク脈動を
低減するというものであるが、電動機の巻線が均等に分
布せず集中的に設置されている場合等、電動機の構造に
よっては、この構造に起因する起磁力分布の高調波成分
により、たとえ電力変換器が完全な正弦波電圧を印加す
ることができても、トルク脈動を発生するという問題点
を有している。
【0008】本発明の目的は、前記従来技術の問題点を
解決し、電動機の構造によって発生するトルク脈動を低
減あるいは消去することのできる電力変換器の制御装置
を提供することにある。
解決し、電動機の構造によって発生するトルク脈動を低
減あるいは消去することのできる電力変換器の制御装置
を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によれば前記目的
は、電力変換器の出力電圧に、前記電動機の構造に起因
するトルク脈動成分を打ち消すような周波数成分を重畳
するように電力変換器を制御する手段を設けることによ
り達成される。
は、電力変換器の出力電圧に、前記電動機の構造に起因
するトルク脈動成分を打ち消すような周波数成分を重畳
するように電力変換器を制御する手段を設けることによ
り達成される。
【0010】
【作用】出力電圧に重畳された周波数成分のために、電
力変換器により駆動される電動機は、トルク脈動を発生
するが、これと電動機の構造に起因するトルク脈動とが
相殺され、これにより、電動機のトルク脈動を低減ある
いは消去することができる。
力変換器により駆動される電動機は、トルク脈動を発生
するが、これと電動機の構造に起因するトルク脈動とが
相殺され、これにより、電動機のトルク脈動を低減ある
いは消去することができる。
【0011】
【実施例】以下、本発明による電力変換器の制御装置の
一実施例を図面により詳細に説明する。
一実施例を図面により詳細に説明する。
【0012】図1は本発明の一実施例の構成を示すブロ
ック図、図2は同期電動機を正弦波電圧で駆動した場合
のトルク波形の例を示す図、図3は出力電圧の高調波成
分の次数とこれに起因するトルク脈動成分の次数との一
般的な関係を説明する図、図4は出力電圧の高調波成分
の次数とこれに起因するトルク脈動成分の次数との関係
を低次の高調波成分について具体的に説明する図、図5
は同期電動機を基本波成分の他に第5次および第7次調
波を重畳した出力電圧で駆動した場合のトルク波形の例
を示す図である。図1において、1a、1b、1cは加
算機、2は電流制御回路、3はパルス幅変調回路、4は
電力変換器、5は同期電動機、6a、6bは重畳成分発
生回路、41は電流検出器、51はエンコーダである。
ック図、図2は同期電動機を正弦波電圧で駆動した場合
のトルク波形の例を示す図、図3は出力電圧の高調波成
分の次数とこれに起因するトルク脈動成分の次数との一
般的な関係を説明する図、図4は出力電圧の高調波成分
の次数とこれに起因するトルク脈動成分の次数との関係
を低次の高調波成分について具体的に説明する図、図5
は同期電動機を基本波成分の他に第5次および第7次調
波を重畳した出力電圧で駆動した場合のトルク波形の例
を示す図である。図1において、1a、1b、1cは加
算機、2は電流制御回路、3はパルス幅変調回路、4は
電力変換器、5は同期電動機、6a、6bは重畳成分発
生回路、41は電流検出器、51はエンコーダである。
【0013】図1に示す本発明の一実施例は、パルス幅
変調回路3に制御されて直流電力を可変電圧、可変周波
数の交流電力に変換する電力変換器4と、この電力変換
器4の出力により駆動される同期電動機5と、パルス幅
変調回路3に電圧指令を与える制御を行う、電流制御回
路2、重畳成分発生回路6a、6b及び加算機1a、1
cとを備えて構成されている。
変調回路3に制御されて直流電力を可変電圧、可変周波
数の交流電力に変換する電力変換器4と、この電力変換
器4の出力により駆動される同期電動機5と、パルス幅
変調回路3に電圧指令を与える制御を行う、電流制御回
路2、重畳成分発生回路6a、6b及び加算機1a、1
cとを備えて構成されている。
【0014】前述のように構成される本発明の実施例に
おいて、加算器1aは、外部より瞬時値として与えられ
る出力電流指令値i* と、電流検出器41により検出さ
れた出力電流iとを差し引いて、電流偏差ierrを算出
し、この電流偏差ierrを電流制御回路2に与える。電
流制御回路2は、与えられた、電流偏差ierr から出力
電圧指令値e* を算出して出力する。パルス幅変調回路
3は、この出力電圧指令値e* をパルス幅変調信号に変
換し、電力変換器4の主回路を構成する各半導体素子を
スイッチングする。
おいて、加算器1aは、外部より瞬時値として与えられ
る出力電流指令値i* と、電流検出器41により検出さ
れた出力電流iとを差し引いて、電流偏差ierrを算出
し、この電流偏差ierrを電流制御回路2に与える。電
流制御回路2は、与えられた、電流偏差ierr から出力
電圧指令値e* を算出して出力する。パルス幅変調回路
3は、この出力電圧指令値e* をパルス幅変調信号に変
換し、電力変換器4の主回路を構成する各半導体素子を
スイッチングする。
【0015】これにより、電力変換器4は、出力電圧e
の3相交流電力を発生し、負荷である同期電動機5に電
流指令値i* と同一の電流iを流すことにより同期電動
機5を駆動する。これにより、同期電動機5は、回転子
が回転しトルクを発生させることになる。
の3相交流電力を発生し、負荷である同期電動機5に電
流指令値i* と同一の電流iを流すことにより同期電動
機5を駆動する。これにより、同期電動機5は、回転子
が回転しトルクを発生させることになる。
【0016】本発明の一実施例は、前述のように構成さ
れる電力変換器の制御装置において、駆動される同期電
動機5を高調波を含まない電圧を持つ交流電力を加えた
場合に発生するトルク脈動を予め測定しておき、この測
定結果の情報と、エンコーダ51により検出された位置
信号θと、実効値で与えられる電流指令値Iとにより、
電力変換器4の出力に、トルク脈動を打ち消すような高
調波を重畳するように制御するものである。
れる電力変換器の制御装置において、駆動される同期電
動機5を高調波を含まない電圧を持つ交流電力を加えた
場合に発生するトルク脈動を予め測定しておき、この測
定結果の情報と、エンコーダ51により検出された位置
信号θと、実効値で与えられる電流指令値Iとにより、
電力変換器4の出力に、トルク脈動を打ち消すような高
調波を重畳するように制御するものである。
【0017】このため、図示本発明の実施例は、5次調
波指令値e5*と7次調波指令値e7*とを発生させる重畳
成分発生回路6a、6bが設けられ、これらの回路の出
力である5次調波指令値e5*と7次調波指令値e7*とを
加算器1cで加算し、さらに、この加算値を電流制御回
路2からの電圧指令値e* に加算器1bで加算し、この
加算値をパルス幅変調回路3の電圧指令として与えるよ
うに構成されている。
波指令値e5*と7次調波指令値e7*とを発生させる重畳
成分発生回路6a、6bが設けられ、これらの回路の出
力である5次調波指令値e5*と7次調波指令値e7*とを
加算器1cで加算し、さらに、この加算値を電流制御回
路2からの電圧指令値e* に加算器1bで加算し、この
加算値をパルス幅変調回路3の電圧指令として与えるよ
うに構成されている。
【0018】重畳成分発生回路6a、6bは、電流指令
値i* の実効値である電流指令Iと位置信号θとに基づ
いて、電力変換器4の負荷である同期電動機5の構造に
よって生じるトルク脈動を打ち消すような高調波を電力
変換器4の出力に重畳する前述の指令信号を出力する。
値i* の実効値である電流指令Iと位置信号θとに基づ
いて、電力変換器4の負荷である同期電動機5の構造に
よって生じるトルク脈動を打ち消すような高調波を電力
変換器4の出力に重畳する前述の指令信号を出力する。
【0019】前述した本発明の実施例は、電力変換器4
の負荷として、同期電動機5を例として説明したが、本
発明は、一般の誘導電動機を負荷としてもよく、また、
リニアモータを負荷としてもよい。
の負荷として、同期電動機5を例として説明したが、本
発明は、一般の誘導電動機を負荷としてもよく、また、
リニアモータを負荷としてもよい。
【0020】本発明の実施例は、前述のように、電動機
の構造により生じるトルク脈動を、電力変換器の制御に
より無くすことができるので、電動機自体の構造による
トルク脈動を減少させるために、電動機の構造を複雑に
したり、フライホイール等の重りを電動機に付加する必
要を無くすことができるので、電動機の構造を簡易に
し、その重量を低減することができる。
の構造により生じるトルク脈動を、電力変換器の制御に
より無くすことができるので、電動機自体の構造による
トルク脈動を減少させるために、電動機の構造を複雑に
したり、フライホイール等の重りを電動機に付加する必
要を無くすことができるので、電動機の構造を簡易に
し、その重量を低減することができる。
【0021】このため、本発明の実施例は、磁気浮上列
車の駆動源となるリニア同期電動機の駆動に使用した場
合、リニア同期電動機の車上側の機構を軽量化すること
ができるという効果を得ることができる。
車の駆動源となるリニア同期電動機の駆動に使用した場
合、リニア同期電動機の車上側の機構を軽量化すること
ができるという効果を得ることができる。
【0022】次に、前述した本発明の構成により、負荷
である電動機の構造により発生するトルク脈動を低減あ
るいは無くすことができることを具体的に説明する。
である電動機の構造により発生するトルク脈動を低減あ
るいは無くすことができることを具体的に説明する。
【0023】3相同期電動機のトルク波形の一例が図2
に示されている。この波形はシミュレーションにより得
られたもので、駆動電力に高調波分を含まない理想状態
の例であり、各計算時点での出力電流瞬時値に基づき、
この時点で各コイルに流れる電流の相互作用により発生
する力の総和をとり、これをトルク波形として表示した
ものである。そして、この図は、横軸に変位(回転角
度)を表し、トルクの瞬時値を平均トルクを100%と
して縦軸に示している。
に示されている。この波形はシミュレーションにより得
られたもので、駆動電力に高調波分を含まない理想状態
の例であり、各計算時点での出力電流瞬時値に基づき、
この時点で各コイルに流れる電流の相互作用により発生
する力の総和をとり、これをトルク波形として表示した
ものである。そして、この図は、横軸に変位(回転角
度)を表し、トルクの瞬時値を平均トルクを100%と
して縦軸に示している。
【0024】図2によれば、電動機のトルクに電力変換
器の出力周波数の12倍の周波数を持つ脈動成分が含ま
れていることがわかる。この脈動成分は、電動機の起磁
力分布の高調波に起因して発生するトルク脈動成分であ
る。
器の出力周波数の12倍の周波数を持つ脈動成分が含ま
れていることがわかる。この脈動成分は、電動機の起磁
力分布の高調波に起因して発生するトルク脈動成分であ
る。
【0025】一方、電力変換器の出力電圧に含まれる高
調波成分の次数mと、この高調波成分により電動機に発
生するトルク脈動成分の次数nとの間には、図3に示す
ような関係が成り立つことが知られている。すなわち、
mとnとの関係は、 m=〔(n/2)+1〕、あるいは、m=〔(n/2)
−1〕 として表される。
調波成分の次数mと、この高調波成分により電動機に発
生するトルク脈動成分の次数nとの間には、図3に示す
ような関係が成り立つことが知られている。すなわち、
mとnとの関係は、 m=〔(n/2)+1〕、あるいは、m=〔(n/2)
−1〕 として表される。
【0026】この関係に基づき、出力電圧の低次の高調
波成分がつくるトルク脈動成分の次数計算した具体例が
図4に示されている。
波成分がつくるトルク脈動成分の次数計算した具体例が
図4に示されている。
【0027】図4によれば、電力変換器の出力電圧の第
5次及び第7次調波が、電動機のトルクに第12次脈動
成分を発生させていることが判る。また、同様に、電力
変換器の出力電圧の第2次及び第4次調波が、電動機の
トルクに第6次脈動成分を発生させていることが判る。
5次及び第7次調波が、電動機のトルクに第12次脈動
成分を発生させていることが判る。また、同様に、電力
変換器の出力電圧の第2次及び第4次調波が、電動機の
トルクに第6次脈動成分を発生させていることが判る。
【0028】従って、出力電圧の第5次及び第7次調波
のうちいずれか一方、もしくは両方を電力変換器の出力
電圧に重畳し、電動機の構造に起因するトルク脈動成分
と逆位相のトルク脈動成分を電動機に発生させることに
より、電動機の構造に起因するトルク脈動と、出力電圧
に重畳した高調波成分に起因するトルク脈動とを相殺す
ることができ、トルクから脈動成分をなくすことができ
る。
のうちいずれか一方、もしくは両方を電力変換器の出力
電圧に重畳し、電動機の構造に起因するトルク脈動成分
と逆位相のトルク脈動成分を電動機に発生させることに
より、電動機の構造に起因するトルク脈動と、出力電圧
に重畳した高調波成分に起因するトルク脈動とを相殺す
ることができ、トルクから脈動成分をなくすことができ
る。
【0029】図1に示す本発明の一実施例は、既に説明
したように、畳成分発生回路6a、6bが、エンコーダ
51からの位置信号θおよび出力電流指令Iに基づき、
第5次調波指令値e5*及び第7次調波指令値e7*を発生
し、加算器1b、1cを用いてこれらを基本波電圧指令
値e1*に加え合わせることにより、電力変換器4の出力
電圧eに第5次および第7次調波を含ませることができ
る。これにより、電動機のトルクには、第12次脈動成
分が発生するが、この脈動成分は、電動機の構造上現れ
る第12次の脈動成分と相殺され、結果として電動機の
トルク脈動を低減することができ、これに起因する騒
音、振動、熱損失等も低減させることができる。
したように、畳成分発生回路6a、6bが、エンコーダ
51からの位置信号θおよび出力電流指令Iに基づき、
第5次調波指令値e5*及び第7次調波指令値e7*を発生
し、加算器1b、1cを用いてこれらを基本波電圧指令
値e1*に加え合わせることにより、電力変換器4の出力
電圧eに第5次および第7次調波を含ませることができ
る。これにより、電動機のトルクには、第12次脈動成
分が発生するが、この脈動成分は、電動機の構造上現れ
る第12次の脈動成分と相殺され、結果として電動機の
トルク脈動を低減することができ、これに起因する騒
音、振動、熱損失等も低減させることができる。
【0030】電動機の構造により発生するトルク脈動成
分の位相は、コイル配置により一意に定まり、また、振
幅は、出力電流指令I(電動機の実際の入力電流と実質
的に同一)に比例する。従って、位置信号θ及び出力電
流指令Iから、重畳すべき第5次調波指令値e5*及び第
7次調波指令値e7*の瞬時値を一意に求めることが可能
であり、畳成分発生回路6a、6bは、負荷となる電動
機の特性に合わせて容易に構成することができる。
分の位相は、コイル配置により一意に定まり、また、振
幅は、出力電流指令I(電動機の実際の入力電流と実質
的に同一)に比例する。従って、位置信号θ及び出力電
流指令Iから、重畳すべき第5次調波指令値e5*及び第
7次調波指令値e7*の瞬時値を一意に求めることが可能
であり、畳成分発生回路6a、6bは、負荷となる電動
機の特性に合わせて容易に構成することができる。
【0031】前述の結果、図5に示すように、電動機の
トルク特性は、図2でみられたようなトルク脈動成分
を、ここではほぼ消去されたものとできる。
トルク特性は、図2でみられたようなトルク脈動成分
を、ここではほぼ消去されたものとできる。
【0032】前述では、電動機の構造によって生じるト
ルク脈動成分が第12次脈動成分であるとしたが、本発
明は、電動機の構造によって生じるトルク脈動成分が他
の次数の脈動成分である場合にも、前述と同様に対応す
ることができる。
ルク脈動成分が第12次脈動成分であるとしたが、本発
明は、電動機の構造によって生じるトルク脈動成分が他
の次数の脈動成分である場合にも、前述と同様に対応す
ることができる。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
動機の構造に起因するトルク脈動を消去することがで
き、トルク脈動に起因する騒音、振動、熱の発生を低減
することができる。
動機の構造に起因するトルク脈動を消去することがで
き、トルク脈動に起因する騒音、振動、熱の発生を低減
することができる。
【図1】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。
る。
【図2】同期電動機を正弦波電圧で駆動した場合のトル
ク波形の例を示す図である。
ク波形の例を示す図である。
【図3】出力電圧の高調波成分の次数とこれに起因する
トルク脈動成分の次数との一般的な関係を説明する図で
ある。
トルク脈動成分の次数との一般的な関係を説明する図で
ある。
【図4】出力電圧の高調波成分の次数とこれに起因する
トルク脈動成分の次数との関係を低次の高調波成分につ
いて具体的に説明する図である。
トルク脈動成分の次数との関係を低次の高調波成分につ
いて具体的に説明する図である。
【図5】同期電動機を基本波成分の他に第5次および第
7次調波を重畳した出力電圧で駆動した場合のトルク波
形の例を示す図である。
7次調波を重畳した出力電圧で駆動した場合のトルク波
形の例を示す図である。
1a〜c1 加算器 2 電流制御回路 3 パルス幅変調回路 4 電力変換器 5 同期電動機 6a、6b 重畳成分発生回路 41 電流検出器 51 エンコーダ
Claims (3)
- 【請求項1】 直流電力を可変電圧、可変周波数の交流
電力に変換して電動機を駆動する電力変換器の制御装置
において、電動機の構造により発生するトルク脈動を打
ち消すような電圧成分を、前記電力変換器の出力電圧に
加える手段を備えることを特徴とする電力変換器の制御
装置。 - 【請求項2】 直流電力を可変電圧、可変周波数の交流
電力に変換して電動機を駆動する電力変換器の制御装置
において、 電動機の構造により発生するトルク脈動の
周波数を、基本波成分のn倍とした場合に、基本波成分
の〔(n/2)+1〕倍、あるいは、〔(n/2)−
1〕倍の周波数を持つ成分のいずれか一方、あるいは、
その両方を前記電力変換器の出力電圧に重畳する手段を
備えることを特徴とする電力変換器の制御装置。 - 【請求項3】 直流電力を可変電圧、可変周波数の交流
電力に変換して電動機を駆動する電力変換器の制御装置
において、 電動機の構造により発生するトルク脈動の
周波数を、基本波成分の12倍とした場合に、基本波成
分の7倍、あるいは5倍の周波数を持つ成分のいずれか
一方、あるいは、その両方を前記電力変換器の出力電圧
に重畳する手段を備えることを特徴とする電力変換器の
制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3345198A JPH05176584A (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 電力変換器の制御装置 |
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JP3345198A JPH05176584A (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 電力変換器の制御装置 |
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JPH05176584A true JPH05176584A (ja) | 1993-07-13 |
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1991
- 1991-12-26 JP JP3345198A patent/JPH05176584A/ja active Pending
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