交交变频在轧钢厂的应用.docx
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交交变频在轧钢厂的应用
交交变频在轧钢厂的应用
摘要:
本文主要介绍了交交变频技术在轧钢厂中的应用,以及一些应用中的注意事项和一些节能的案例。
其中主要将的室如何实现交交变频控制的。
使用交交变频的优越性。
1、引言
精轧主传动电机是有两台整流变供电,采用的是交交变频技术调速。
其中飞剪是直流电机。
精轧的电机采用的是交流同步电机。
每台电机有两定子系统,分别由两个35KV系统的整流变供给。
两台变压器的连接组别不相同。
精轧机由六台交流同步机(双绕组,空间相位差30度)驱动。
2、传动系统
交交变频器是指无中间环节、直接将较高固定频率(fi)的电压变换为频率(fo)较低而可变的输出电压的变换器。
交交变频器是基于可逆整流。
交交变频器具有以下特点:
因为只有一次换流,且使用电网换相,故比普通变频器具有更高的效率;
由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成,因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多的时候,输出波形较好;
变频器按电网电压过零自然换相,可采用普通晶闸管,并且通过对各组晶闸管的控制可以很方便地实现四象限运行,但所用晶闸管元件数量较多且利用率低,控制复杂;
由于受输出谐波电流以及脉动转矩的限制,其最高输出频率不超过电网频率的1/3~1/2,(fout=0~25Hz);
功率因数较低,特别在低速运行时更低,需要适当补偿。
单相输出的交交变频器实质上是一套三相桥式无环流反并联的可逆整流装置。
装置中工作晶闸管的关断通过电源交流电压的自然换相实现,如果对变频器的触发角连续进行交变的相位调
制,就可是变频器的输出端产生一个连续变化的平均电压,直接将输入电源较高频率(fi)的输入电压变换为频率(fo)较低可变的电压输出,从而实现变频。
由于这种变频器无中间直流环节,故又称为交交直接变频器,或周波变换器(Cycloconverter)。
变频器交流输出电压的正半周由正组整流器提供,负半周电流由反组整流器提供,输出电压在半各周期内的平均值取决于变频器中晶闸管的触发控制角α,输出频率取决于每一组内晶闸管的导通次数(A、B、C三相通电次数)。
如果触发控制角α一直不变,则输出平均电压是方波。
要得到正弦波输出,就必须在每组整流桥导通期间不断改变其触发控制角α,在正组导通的半个周期中,使触发角α由π/2(对应平均电压u0=0)逐渐减小到0(对应平均电压u0最大),然后再逐渐增大到π/2,即α角在0≤α≤π/2之间变化,则整流的平均输出电压就由零变到最大再变到零,呈正弦规律变化。
为使输出电压的谐波减到最小,正、反组整流器的触发控制角α可按余弦规律进行控制。
三相输出的交交变频器由三套输出电压彼此差120°的单相输出交交变频器组成。
输出为Y接方式,其三套单相输出交交变频器的三个输出端Y联结,电动机绕组引出三根线,变频器的中性点不与电动机绕组的中性点接在一起,这时变频器的电源进线必须相互隔离。
采用输出Y联结的三相输出交交变频器其每一相由两组反并联的三相桥式整流电路组成。
整流器Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ为正组,Ⅳ、Ⅵ、Ⅱ为反组;每个正组由1、3、5晶闸管组成,每个反组由4、6、2晶闸管组成
采用输出Y联结方式的三相桥式交交变频器具有如下特点:
无环流死区时间小于2ms。
由于在其单相每一个输出周期中有两次电流过零,无环流死区时间的长短对输出波形的影响很大,如果环流死区时间过大(如6ms),对于输出频率为20Hz的交交变频器,在电源的50Hz中所占比例太大,使得输出电流谐波及转矩脉动大,变频器出力下降。
因此对于输出频率接近20Hz的交交变频器,要求其无环流死区时间小于2ms。
触发脉冲宽度大于30°。
由于变频器输出中点不与负载中点
(电动机绕组中点)相联,所以至少要有两个桥四只晶闸管同时有触发脉冲才能构成回路,建立电流。
每个桥中的两个晶闸管靠双脉冲保证,两个桥之间靠脉冲宽度,即双脉冲中每个脉冲宽度大于30°(35°~45°)来保证。
每组桥中的脉冲周期约为30°,那么无脉冲周期间隙时间一定小于30°,因此在每个脉冲持续时间内,总会与另一组桥的脉冲重合,使四个晶闸管同时有脉冲建立电流。
3、控制系统
精轧主传动是用的西门子SIMADYND全数字多微处理器控制系统。
采用它有很多的优点。
首先是硬件和软件均为模块化,用户可根据需要选择不同种类的硬件单元板和软件功能块来自由配置,组成自己所希望的控制系统,这对于用户来讲有两大好处:
其一随时可在系统中添加一些硬件便可实现系统的硬件改造,甚至是直流传动向交流传动的改造,从而节约大量的改造资金;其二不用更改任何硬件配置,只需通过编程手段,便可实现控制系统功能的升级,也就是在系统投入运行后,随时更改程序增加一些新的功能或先进的工艺,使控制系统的水平始终处于领先的地位。
其次是对不同的工艺要求,从简单的控制系统到复杂的大型的控制系统硬件构成是一致的。
再者构成系统所用的单元板数量少,因此可减少备件储备,节省
备件费用。
使用它可以完成以下的控制功能主要完成
i.电机速度控制:
速度调节,加、减速限制,基速以上增益自适应,定子电流调节;
基速以上电压控制增益自适应,磁通控制;
轧机扭振的抑制;
板材滑雪板特性的控制;
上、下辊电机负荷平衡;
正、反方向点动,爬行,可逆运行;主轴定位;
上、下辊电机单动、联动运行;
ii.矢量变换控制
生成三相电流设定值;
生成三相电压前馈设定值;
电压模型通过检测实际电压电流计算磁链位置角;
电流模型通过电流设定值计算磁链位置角,励磁建立过程中
自动定位;
磁链控制保证稳态运行过程中维持磁通准确恒定;
变频器、电流调节器、调节器速度和磁通调节器的时序控制。
iii.电流控制
限幅浮动的电流调节器和电流断续补偿;
包括转矩快速切换在内的时序控制数字命令单元;
发生过流时触发角移到逆变区;
iv.时序逻辑控制
外围信号的联锁和系统的启停控制;
传动系统报警、故障信号的监测和显示,如:
整流变压器、
电机通风、电机轴承以及调节系统的内部故障等。
v.保护功能
超速保护;
定子过压保护;
定子过流保护;
励磁过流保护;
欠磁保护。
接地保护
vi.故障诊断
SIMADYND交交变频控制提供一个跟踪功能包以便于系统的
维护。
这种功能包可以将被监测的信号存储到相应的通道中,触发信
号可设置为某种故障信号。
被监测的信号和故障触发信号的设置可通
过OP操作面板来完成。
4、矢量控制
同步电动机具有其独特的优点:
稳定运行时转速恒定(同步转速),只与电源频率有关,不随
负载和电压的变化而变化,因此只要精确地控制变频器电源的基波频率就能准确地控制电动机的转速;
同步电动机对于负载转矩扰动具有较强的承受能力,这是因为只要同步电动机的功角作适当的变化就能改变电磁转矩,而速度始终维持在原同步转速不变,同时转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩的快速响应,因此同步电动机比较适合于要求对负载转矩变化作出快速反应的交流调速系统中。
同步电动机在低频时也能运行,因为它能通过转子的励磁电
流建立必要的磁场,故它的调速范围比较宽。
功率因数较高,因为同步电动机可以通过调节其励磁电流提高功率因数,可改善电网的功率因数,同时在功率因数为1的状态下运行时,电机的电枢电流最小,变频器的容量也可适当减小。
运行效率高,低速运行时尤为明显。
对于大容量电动机,同步电动机反而比异步电动机小。
随着电力电子技术与控制技术的进步和发展,同步电动机历来只能恒速运行的状况已被改变,过去阻碍同步电动机广泛应用的启动、振荡和失步等问题已经得到解决,同步电动机也能实现变频调速,尤其是在大容量传动系统中,同步电动机具有优于异步电动机的控制性能。
同步电动机的交交变频系统基本上能满足轧机的下述应用:
大功率、高转矩控制;
较快的加减速运行;
经常起动和停止;
四象限运行,弱磁模式;
高的过载能力;
转速为零时产生恒转矩;
小的转矩脉动。
同步电动机按磁通定向的矢量控制原理:
在同步电动机矢量控制中,选择气隙总磁通矢量ΦR作为磁场定
向坐标系M轴的方向,沿逆时针方向在M轴前面90°电角度的方向为T轴的方向。
这样,励磁磁势对应的励磁电流矢量If分解的沿M、T轴方向的两个分量分别为ifm和ift,同样定子三相合成磁势Fs对应的定子电流矢量is也分解相应的两个分量分别为ism和ist,前者为励磁分量,后者为转矩分量。
如果控制合成励磁电流iR,并使气隙总磁通ΦR保持恒定,那么同步电动机所产生的电磁转矩就直接和定子电流中的转矩分量ist成正比因为气隙总磁通ΦR和定子电流转矩分量ist相互垂直,调节中互不干扰,因此可和直流电动机一样方便地进行转矩调节与控制。
同步电动机定子绕组由交交变频器供电,转子励磁绕组由可控整流器供电。
气隙总磁通的方向确定,是经由转子位置检测器、磁极位置运算器、磁通运算器得到气隙总磁通M轴与静止α轴的位置角λm(时间的线性函数)以及M轴与转子旋转坐标系d轴的位置角(常数)。
速度给定值ω*和实测转子速度值ω相比较后送给速度调节器ASR,速度调节器的输出为转矩给定值T*,T*除以合成磁通|ΦR|即得到定子电流转矩分量给定值ist*。
为保证恒转矩、恒功率运行的函数发生器给出磁通给定ΦR*,磁通调节器AΦR根据磁通给定值和磁通实际值(由磁通运算器得到),输出励磁电流分量的给定值ism*,电流给定值运算器进行反变换运算,得到静止A-B-C坐标系中的电流给定值iA*、iB*、iC*和转子励磁电流给定值If*。
把三相电流给定值与实际值比较后,经过相应的电流调节器ACR,控制变频器的输出电压和频率及励磁绕组的励磁电压,从而调节同步电动机的转速和励磁电流。
这样,同步电动机矢量控制系统在负载变化时可保持磁通、定子感应电势及功率因数不变,使电动机的功率因数等于1,则所需的变频器容量最小。
要控制iR和Ψ,就必须知道它们与什么有关,由同步电动机的矢
量图可知:
RsmfmiR=ism+ifm
式中:
ism——定子电流的磁化分量;
ist——励磁电流的磁化分量。
可见ism和ist都影响iR值,ism除影响iR外,还影响电动机功率因数,
它的希望值ism*由希望的功率因数φ和ist*决定:
ism*=ist*tanϕ
因为希望电动机的功率因数cosφ=1,则tanφ=0,ism*=0。
考虑到定子绕组电阻和漏抗的影响,ism*与ist*及φ的关系要复杂一些。
在ism*被设定后,iR由ifm*控制,而ifm*的给定值:
式中:
iR*——iR的希望值,对应于希望的磁链ΨR*(或磁通ΦR*)。
因为:
所以励磁电流给定值:
从速度调节器和前式得到了ism*和ist*,完成了计算被控矢量is直流控制分量的任务。
再经过坐标变换(S/R变换和2/3变换)就能够得到物理上存在的定子三相电流的给定量iA*、iB*、iC*。
借助电流控制系统,使定子三相电流的实际值等于它们的给定值,便完成了全部矢量控制任务。
5、应用中的注意事项
5.1 、变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿的意义
随着变频器的广泛应用,变频器供电系统的谐波治理与元功功率补偿的意义逐渐被人们所认识。
变频器供电电源按傅立叶级数可以分解为基波有功电游泳流,基波无功电流,谐波和间谐波电流。
基波无功电流占用电网容量;导致网压波动;在供配电设施产生热损耗;降低了供配电设施运行可靠性。
谐波和间谐波的集肤效应使输电线等效截面积变小,线路损耗增加;铁芯中附加高频涡流损耗;谐波和间谐波电流导致网压波形畸变和辐射干扰,引起同一电网下其它负载出力减小,损耗增加,甚至误动作。
变频器用量较大的车间,用电容器直接进行无功力率补偿虽然可以大副度降低基波无功电流,但是必然出现谐波放大现象。
这时,供电电流和电容器电流中谐波和间谐波电流大副度增加,电容器由于超温和过压而损坏,供电变压器温升加大。
为避免谐波电流大副度增加,电容器由于超温和过压而损坏,供电变压器温升加大。
为避免谐波放大,谐波治理与无功功率补偿必须同时进行。
从基波无功电流,谐波和间谐波电流的危害上可看出:
采用就地谐波治理与无功功率补偿可以获得最大的效益。
根据我们的经验,采用就地谐波治理与无功功率补尝,一年或一年半时间即可从节能中回收全部投资。
5.2、变频器供电系统的谐波治于是与无功功率补偿方法
根据变频器分类,变频器供电系统的就地谐波治理与无功功率补偿装置分为:
含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置;6%电抗的TSC动态无功功率补偿装置固定投入各次滤波器的装置,由于有源滤波器技术和价格的原因,目前还难在国内推广。
5.2.1 交-直-交电流型变频器
电网通过可控硅三相全控桥给变频器供电,功率因数角约等于控制角a。
供电电流包含6±1次谐波(K=1、2、3…),并且在直流电流无脉动的理想情况下,n次谐波电流含量是基波电流的1/n。
实际上,直流电流脉动导致五次谐波和七次谐波含量增加,大于七次谐波的高次谐波含量减少。
就地实现谐波治理和无功功率补尝是安装含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置。
装置中计算机根据基波无功功率投入一定数量的五次、七次、十一次和十三次滤波器。
滤波器对基波呈容性,补偿基波无功功率;滤波器对谐波呈现很小的电感,滤除各次谐波无功功率。
5.2.2 交-交变频器
电网通过可控硅三相可逆整流桥给变频器供电,功率因数很低。
从电电流不仅包含6K±1次谐波(K=1、2、3…),还在谐波附近出现间隔为变频器输出频率的间谐波。
用五次、七次、十一次和十三次滤波器可以滤除谐波,但是滤波器器对一些间谐波呈容性,必然产生间谐波放大现象。
就地实现谐波、间谐波治理和无功功率补偿是安装6%电抗的TSC动态无功功率补偿装置。
特点是对五次和五次以上谐波和间谐波都呈感性,没有谐波放大现象。
对五次、七次谐波和五次、七次谐波附近的间谐也有一定的滤波效果。
5.2.3交-直-交电压型变频器
电网通过三相二极管整流桥给变频器供电,功率因数大于0.97。
由于二极管整流桥仅在网压峰顶开通,对电容器充电,电流波形是导通角较窄的尖锋。
供电电流包含6K±1次谐波(K=1、2、3…),谐波含量随进线电抗和直流滤波电抗的电感量增加而减少。
一般来说,加电抗器后五次谐波、七次谐波十一次谐波和十三次谐波仍然占40%、35%、25%和20%。
对供电变压器还有其它感性负载的场合,可以安装含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置;对几乎全是交-直-交电压型变频器的车间由于不需要补偿基波无功功率需要滤除谐波无功功率,应安装固定投入各次滤波器的装置。
为了防止轻载过补偿对电网电压的提升,该滤波器应该具有提供的基波容性抗器应在设计时考虑谐波发热和过压问题。
5.3、变频器与电机的距离对系统影响及措施
1).在工业使用现场,变频器与电机安装的距离可以大致分为三种情况:
源远距离、中距离和近距离。
20m以内为近距离,20-100m为中距离,100m以上为远距离。
由于变频器输出的电压波形不是正弦,波形中含有大量的谐波成分,其中高次谐波会使变频器输出电流增大,造成电机绕组发热,产生振动和噪声,加速绝缘老化,还可能损坏电机;同时各种频率的谐波会向空间发射不同程序的无线电干扰,还可能导致其它设备误动作。
因此,希望把变频器安放在被控电机的附近。
但是,由于生产现场空间的限制,变频器和电机之间往往要有一定距离。
如果变频器和电机之间为20m以内的近距离,可以直接与变频器连接;对于变频器和电机之间为20m到100m的中距离连接,需要调整变频器的载波频率来减少谐波及干扰;而对变频器和电机之间为100m以上的远距离连接,不但要适度降低载波频率,还要加装输出交流电抗器。
2).在高度自动化的工厂里,可以在中心控制室监控所有的控制设备,变频器系统的信号也要送到中控室,变频器的位置若在中心控制,总控台与变频器之间,可以直接连接,通过0-5/10V的电压信号和一些开关量信号进行控制。
但是,变频器的高频开关信号的电磁辐射对弱电控制信号会产生一些干扰,因此也不一定要美观整齐,把变频器放在中心控制室内。
如果变频器与中心控制室距离远一点,可以采用4-20mA的电流信号和一些开关量作控制连接;如果距离更远,可以采用RS485串行通信方式来连接;若还要加长距离,可以利用通信中间继电器达到1km的距离;如果采用光纤连接器,可以达到23km之远。
采用通信电缆连接,可以很方便地构成多及驱动控制系统,从而实现主/从和同步控制等要求。
与目前流行的现场总线系统相连接将使数据变换速率大大提高。
中心控制室与变频器机柜之间的距离的延长,有利于缩短变频器到电机之间的距离,以便用更加合理的布局改善系统性能。
总之安装变频器时,需要综合考虑中心控制室、变频器、电机三者之间的距离,尽量减少谐波的影响,提高控制的稳定性。
5.4、西门子变频器的常见故障及维修对策
西门子变频器应该是进入中国市场较早的一个品牌,所以有些老的产品象MICROMASTER,MIDIMASTER仍有大量的用户在使用,我们先就这两个系列产品的常见故障做一分析。
对于MICROMASTER系列变频器我们最常见的故障就是通电无显示,该系列变频器的开关电源采用了一块UC2842芯片作为波形发生器,该芯片的损坏会导致开关电源无法工作,从而也无法正常显示,此外该芯片的工作电源不正常也会使得开关电源无法正常工作。
对于MIDIMASTER系列变频器我们较常见的故障主要有驱动电路的损坏,以及IGBT模块的损坏,MIDIMASTER的驱动电路是由一对对管去驱动IGBT模块的,而这对管也是最容易损坏的元器件,损坏原因常由于IGBT模块的损坏,而导致高压大电流窜入驱动回路,导致驱动电路的元器件损坏。
对于6SE70系列变频器,由于质量较好,故障率明显降低,我们经常会碰到的故障现象有F008直流电压低,由于是直接通过电阻降压来取得采样信号,所以故障F008的出现主要是由于采样电阻的损坏而导致的。
此外我们还会碰到F025,F026,F027,关于输入相缺失的报警,故障原因一是由于6SE70系列本身带有输入相检测功能,输入检测电路的损坏会导致输入缺相报警,如排除此故障原因,报警信号还不能消除,那故障很有可能就是CU板的损坏了。
此外F011(过电流)故障也是一个常见的故障,电流传感器的损坏是引起此故障的原因之一,此外我们在维修中经常会碰到驱动电路和开关电源上的一些贴片的滤波电容的损坏也会引起F011报警.我们要特别注意由于这种原因而引起的故障报警。
对于ECO的变频器,我们碰到最多的就是电源板的烧坏以及功率模块的损坏,引起的原因也主要是由于强电侧(功率模块)与弱电侧(驱动电路)没有隔离电路,导致强电进入了控制电路,引起驱动电路及开关电源大面积烧坏,此外预充电回路损坏也是常见故障(30KW以上),由于限流回路设计在交流输入侧,只要有三相交流电源任意一路送电时有时序上的超前和滞后,都有可能引起自身一路或其余两路充电时电流过大,而使得限流电阻和切入继电器烧毁。
F231故障也是ECO变频器的一种常见故障,引起原因就是因为采样电阻的损坏。
对于MM420以及MM440变频器的故障现象应该说没有超出我们前面讨论的范围,只是变频器在内部结构上发生了一些变化,那就是采用了著名的功率器件制造商西门康公司的一体化功率模块,缩小了机器的体积,也减少了内部的连接,因为回路之间的连接都采用了直接接触的方式。
应该说MM440和MM420系列变频器还是出现了较多的故障,特别是小功率的机器。
5.5、变频器的合理选型
变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。
选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。
人们在实践中常将生产机械分为三种类型:
恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。
恒转矩负载:
负载转矩TL与转速n无关,任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。
例如传送带、搅拌机,挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。
变频器拖动恒转矩性质的负载时,低速下的转矩要足够大,并且有足够的过载能力。
如果需要在低速下稳速运行,应该考虑标准异步电动机的散热能力,避免电动机的温升过高。
恒功率负载:
机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩,大体与转速成反比,这就是所谓的恒功率负载。
负载的恒功率性质应该是就一定的速度 变化范围而言的。
当速度很低时,受机械强度的限制,TL不可能无限增大,在低速下转变为恒转矩性质。
负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。
电动机在恒磁通调速时,最大容许输出转矩不变,属于恒转矩调速;而在弱磁调速时,最大容许输出转矩与速度成反比,属于恒功率调速。
如果电动机的恒转矩 和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时,即所谓"匹配"的情况下,电动机的容量和变频器的容量均最小。
风机、泵类负载:
在各种风机、水泵、油泵中,随叶轮的转动,空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。
随着转速的减小,转矩按转速的2次方减 小。
这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。
当所需风量、流量减小时,利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量,可以大幅度地节约电能。
由于高速时所需功率随转速增长过快,与速度的三次方成正比,所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。
通用变频器的选型
通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面,选择的原则是:
首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求,其次是获得较好的性能价格比。
通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。
对于风机、泵类等平方转矩,低速下负载转矩较小,通常可选择专用或普通功能型通用变频器。
对于恒转矩类 负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器,这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大,不怕负载冲击,具有挖土机特性。
为了实现大调速比的恒转矩调速,常采用加大通用变频器容量的办法。
对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械(如造纸机械、注塑机、轧钢 机等),应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器。
1)、电机的规格指标参数
变频器在使用过程中带动的是电机,所以,变频器的选型可以从电机的角度来选择型号、规格。
那首先,我们就必须先了解电机的各项规格指标参数。
每台电机都有它自己出厂的铭牌,从铭牌上,我们不难找到电机的各项参数。
这些参数中,我们需要了解的主要参数有:
电机的额定电压、额定电流、额定频率、额定转速等。
电机的额定电压:
电机的额定电压一般有110V、220V、380V、690V、1140V、6kV等。
电机的额定电流:
电机的额定电流根据电机的功率不同而不同。
选择变频器时,变频器的额定电流应大于或等于电机的额定电流,特殊情况应将变频器功率档次放大一档。
电机的额定频率:
普通电机的额定频率一般是50~60Hz,高速电机有1000~3000Hz等。
CH_100系列可满足0~600Hz电机的需要,如需更高频率,请选用CH_150系列变频器。
电机的额定转速:
电机有分为2极、4极、6极、8极等,极数越高,转速越低,同功率电流也越大。
我们一般用的电机的额定转速是1500 rpm对应4极电机。
变频器也是根据4极电机来设计的。
2极对应3000 rpm、6极对应960 rp
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