交流不间断电源UPS.docx
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交流不间断电源UPS
第章UPS电源2
第一节UPS的分类2
1.按电路主结构分类2
2、按后备时间分类3
3、按输入/输出方式分类3
4、按输出波形分类4
5、按输出容量分类4
第二节UPS的电路结构和工作原理4
一.主要组成部分4
二.后备式UPS5
1.电路各环节的功能6
3.后备式正弦波输出UPS的主要特点7
4.后备式方波输出UPS的主要特点7
三.在线式UPS8
1.双变换在线式UPS8
2.在线式正弦波输出UPS的特点11
四.在线互动式UPS12
五.串并联调整式UPS13
第三节UPS冗余供电15
一.UPS的热备份连接15
二.UPS并联冗余方式17
第四节UPS蓄电池监测管理26
一、蓄电池容量配置27
二、蓄电池的智能化管理28
第五节油机组与UPS的兼容30
一、同步发电机的电枢反应32
二、油机组与UPS的功率匹配35
第六节电信机房UPS配置36
一、UPS与逆变器的比较36
二、电信机房供电系统的设计38
第七节UPS的安全使用与检修41
一、UPS的安全使用42
二、UPS日常维护44
三、UPS的故障诊断及对策44
第一章UPS电源
随着科学的发展社会的进步,一些重要用户的关键设备如互联网数据中心、银行清算中心、证券交易系统、通信网管中心等,要求提供高质量的无时间中断的交流电源。
根据我国国家标准GB2387-89规定,对于需要配置不间断电源的计算机房提供的交流电源至少应满足:
380V/220V、50HZ、三相五线制、电压波动小于+-5%、频率波动小于+-0.5%、波形失真小于+-5%。
此外可能产生的任何瞬态供电中断应控制在5 ms以内。
一般的微机和服务器所允许的瞬态供电中断时间在8至10ms的范围。
若超过此范围,就会造成微机进入误动作或自检程序,从而造成正在运行的数据或程序被破坏和丢失的不利局面。
另外过频的瞬态中断引起的峰值高达400V左右的瞬态干扰是造成服务器产生偶发性自动关机的重要原因之一。
因此寻找一种“干净”的不中断的电源系统将非常必要。
第一节UPS的分类
目前,市场上UPS品牌和种类繁多,但可从电路主结构、后备时间、输入/输出方式、输出波形和输出容量等五个方面对其进行分类,其中按电路主结构进行分类是目前最常用的分类方法。
1.按电路主结构分类
(1)后备式UPS
早期的后备式UPS在市电供电正常时,市电直接通过交流旁路和转换开关向负载供电,交流旁路相当于一条供电回路,逆变器不工作,此时供电效率高但质量差。
近年出台的后备式UPS往往在交流旁路上配置了交流稳压电路和滤波电路加以改善。
当市电异常(市电电压、频率超出后备式UPS允许的输入范围或市电中断)时,后备式UPS通过转换开关切换到由蓄电池提供电能的状态,逆变器进入工作状态,此时输出波形为交流正弦波或方波。
后备式UPS存在切换时间,一般为4~10ms,但对一般的计算机设备的工作不会造成影响。
(2)在线式UPS
在线式UPS一般采用双变换模式。
当市电正常时,在线式UPS输入交流电,通过充电电路对蓄电池进行充电,同时AC/DC电路将交流电转换为直流电,然后通过脉冲宽度调制技术,由逆变器再将直流电逆变成正弦波交流电供给负载,起到无级稳压的作用。
而当市电中断时,后备蓄电池开始工作,此时蓄电池储存的电能通过逆变器变换成交流正弦波或方波并供给负载,因此无论是在市电供电正常时还是在市电中断由蓄电池逆变供电期间,逆变器始终处于工作状态,这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响,真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及零转换时间。
(3)串并联调整式UPS
串并联调整式UPS多采用双逆变电压补偿技术也称为Delta技术,它成功地将交流稳压技术中的电压补偿原理运用到UPS的主电路中。
当市电正常时,两组逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿,逆变器承担的最大功率仅为输出功率的20%,所以功率强度很小,功率余量大,这就增强了UPS的输出能力和过载能力,不再对负载电流波峰系数予以限制,可从容地对付冲击性负载,也不再对负载功能因数进行限制,输出有功功率可以等于标定的KVA值。
(4)在线互动式UPS
在线互动式UPS是介于后备式UPS和在线式UPS工作方式之间的UPS设备,它集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点。
在线互动式UPS的逆变器一直处于工作状态,具有双向功能:
在市电正常时,UPS的逆变器处于反向工作状态,给蓄电池组充电,起充电器的作用;在市电异常时,逆变器立刻转入逆变工作状态,将蓄电池组的直流电转换为交流正弦波输出。
在线互动式UPS也有转换时间,但比后备式UPS短,保护功能较强。
另外,它还采用了铁磁谐波变压器,抽头调压在市电供电时具有较好的稳压功能。
2、按后备时间分类
(1)标准机
配备有内置蓄电池组的UPS称为标准机。
一般配置蓄电池容量较小,用于短时间供电(如5-15分钟),使用户及时保存数据和系统正常关机。
由于受体积和重量的限制,标准机仅局限于中、小功率的UPS。
(2)长效机
需外接蓄电池组的UPS称为长效机,长效机的容量从几百伏安到几十千伏安可供选择。
在实际应用中长效机有着很大的机动性,用户可以根据自己所需后备时间的长短来确定采用何种容量的蓄电池。
UPS的后备时间与蓄电池容量的关系可以根据以下的公式来确定:
(1-1)
其中:
C——蓄电池容量,单位为安时(Ah);
P——UPS的额定功率,单位为伏安(VA);
PF——UPS的功率因数;
U——蓄电池组的直流端电压(V),为单节电池额电压与蓄电池节数的乘积;
η——逆变器的效率,为0.86;
C1——蓄电池的放电速率,该值可以根据UPS所需后备时间t长短在电池的放电曲线图上查得,例如当t=1h时,C1=0.55,t=2h时,C1=0.35,t=4h时,C1=0.20,t=8h时,C1=0.11。
3、按输入/输出方式分类
根据输入/输出方式,可分为单相输入/单相输出UPS、三相输入/单相输出UPS和三相输入/三相输出UPS。
小功率UPS都采用单相输入/单相输出方式,而中、大功率UPS多采用三相输入/单相输出和三相输入/三相输出方式,对于用户来说,采用三相供电时市电配电和负载配电比较容易,每一相都承载一部分负载电流。
4、按输出波形分类
按输出波形,可分为输出波形为正弦波的UPS和输出波形为方波的UPS。
输出波形为方波的UPS不适合带感性负载,因为感性负载会使方波产生瞬态尖波,从而给UPS和负载设备造成破坏。
大多数后备式UPS的输出波形为方波。
5、按输出容量分类
按输出容量,可分为微型UPS(输出功率小于或等于1kVA)、小型UPS(输出功率大于1kVA而小于5kVA)、中型UPS(输出功率大于5kVA而小于或等于30kVA)以及大型UPS(输出功率大于30kVA而小于或等于100kVA)。
第二节UPS的电路结构和工作原理
从主电路结构和不间断供电的运行机制来看,目前技术成熟并已形成产品的各种UPS主要有四大类:
后备式UPS、在线互动式UPS、双变换在线式UPS以及串并联调整式UPS(Delta变换器)。
如果按技术性能的优劣来排序,则双变换在线式UPS>串并联调整式UPS(Delta变换器)>在线互动式UPS>后备式正弦波UPS>后备式方波UPS。
一.主要组成部分
图1.1小型在线式UPS框图
由于UPS功能的不同,其主电路结构和工作原理区别很大,但一般都包括以下组成部分。
1.整流充电器
整流充电器可以把市电或油机的交流电能变为直流电能,为逆变器和蓄电池提供能量,其性能的优劣直接影响UPS的输入指标。
(1)可控硅整流器
可控硅整流器输出容量大,可靠性高,工作频率低,滤波器体积大,噪声大,适用于输入电压低、功率大的UPS。
(2)二极管与绝缘栅双极晶体管(IGBT)组合型整流器
二极管与IGBT组合型整流器的工作频率高,具有功率因数校正功能,滤波器体积小,嗓声低,可靠性高,适用于中小功率UPS。
2.逆变器
逆变器用以把市电经整流后的直流电能或蓄电池的直流电能转换为电压和频率都比较稳定的交流电能,其性能的优劣直接影响UPS的输出性能指标。
IGBT逆变器工作频率高(2OkHz),滤波器体积小,噪声低,可靠性高。
3.旁路开关
旁路开关是为提高UPS系统工作的可靠性而设置的,能承受负载的瞬时过载或短路电流。
因UPS的逆变器采用电子器件,如IGBT管的过载能力仅为125%,当UPS供电系统出现过载或短路故障时,UPS将自动切换到旁路,以保护UPS的逆变器不会因过载而损坏。
UPS供电系统转入旁路供电后,是由市电直接供给负载的,因市电的系统容量大可提供足够的时间使过载或短路回路的断路器跳闸,待系统切除过载或短路回路后,旁路开关将自动转换回来,由UPS继续向其他负载供电。
旁路开关可分为以下几种。
(1)静态旁路开关
静态旁路开关为无触点开关,由晶闸管开关器件构成。
所谓电子式静态转换开关,是将一对反向并联的快速晶闸管连接起来,作为UPS在执行由市电旁路供电至逆变器供电切换操作时的元件。
由于快速晶闸管的接通时间为微秒级,同小型继电器毫秒级的转换时间相比,它只是小型继电器的千分之一左右。
因此,依靠这种先进技术,可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。
正常工作时,只有逆变器供电通道或交流旁路电源通道中的一路电源向负载供电。
只有当UPS需要执行由交流旁路电源供电至逆变器供电切换操作时,才会出现短暂的(约几毫秒至几十毫秒)两路交流电源在时间上重叠向负载供电的情况。
静态开关可以将转换时间缩短到lms以下,甚至1OOus以内,但损耗较大。
(2)动态旁路开关
动态旁路开关为有触点开关,由接触器和断路器构成,靠机械动作完成转换,动态开关转换过程会有几十毫秒的供电中断,故不能应用于重要的负载场合,现代的UPS己很少采用。
4.蓄电池
蓄电池用以为UPS提供一定后备时间的电能输出。
在市电正常时,由充电器为其提供电能并转换为化学能;在市电中断时,其将化学能再转换为电能,为逆变器提供能量。
二.后备式UPS
后备式UPS是静止式UPS的最初形式,因为应用得早,用得广泛,因而技术和产品都是很成熟的。
后备式UPS的电路结构加图11所示。
图1-1后备式UPS的电路结构
1.电路各环节的功能
(1)充电器
当市电正常时,充电器对蓄电池进行充电和浮充电。
(2)DC/AC逆变器
当市电存在时,逆变器不工作;市电中断时,由它将直流电压(由蓄电池供给)转变成符合负载要求的交流电压,电压波形有方波、准方波和正弦波三种形式。
(3)输出转换开关
当市电存在时,输出转换开关接通输入电源,向负载供电;市电中断时,输出转换开关在断开市电回的同时接通逆变器,继续向负载供电。
(4)智能调压电路
市电存在时,智能调压电路可用来调节并稳定输出电压。
2.后备式UPS的工作原理
后备式UPS的工作原理为:
当电网供电正常时,一路市电通过整流器对蓄电池进行充电,而另一路市电通过自动稳压器初步稳压,吸收部分电网干扰后,再由旁路转换开关直接提供给用户。
此时,蓄电池处在充电状态,直到蓄电池充满而转人浮充状态。
后备式正弦波输出UPS的电路采用了抗干扰式分级调压稳压技术,当市电电压180—250V之间变化时,其电压稳定度达±5%,UPS相当于一台稳压性能较差的稳压器,仅对市电电压幅度波动有所改善,对电网上出现的频率不稳、波形畸变等“电污染”不作任何调整。
当电网电压或电网频率超出UPS的输入范围时,即在非正常的情况下,交流电的输入被切断,充电器停止工作,蓄电池进行放电,在控制电路的控制下逆变器开始工作,使逆变器产生220V、50Hz的交流电,此时UPS供电系统转换为由蓄电池一逆变器继续向负载供电。
后备式UPS的优点是:
产品价格低廉,运行费用低。
由于在正常情况下逆变器处于非工作状态,电网电能直接供给负载,因此后备式UPS的电能转换效率很高。
蓄电池的使用寿命一般为3~5年。
后备式UPS的缺点是:
当电网供电出现故障时,由电网供电转换到蓄电池经逆变器供电瞬间存在一个较长的转换时间。
对于那些对电能质量要求较高的设备来说,这一转换时间的长短是至关重要的。
再者,由于后备式UPS的逆变器不是经常工作的,因此不易掌握逆变器的动态状况,容易形成隐性故障。
后备式UPS一般应用在一些非关键性的小功率设备上。
从上面后备式UPS的工作原理可以看出,在大部分供电时间内,负载所使用的电源就是市电(或经过调压器简单调压的市电),负载还是会承受从市电网路进来的浪涌、尖脉冲、干扰、频率漂移等不良影响。
显然,这时的UPS实质上是一台性能较差的稳压器,只能对市电的电压高低问题有所改善,而不能解决大部分市电供电中的问题,它是一种价格便宜、技术含量较低的UPS,适合不太重要的单台PC机使用。
3.后备式正弦波输出UPS的主要特点
后备式正弦波和方波输出的区别,主要就是逆变器工作时,输出的波形的不同。
后备式正弦波UPS把蓄电池储存的直流电转换为正弦交流电,向负载提供的是高质量的无干扰的正弦波交流电。
后备式正弦波输出UPS的单机输出功率为0.25—2kVA,它具有以下特点:
①后备式正弦波输出UPS的波形失真系数小于5%。
当后备式UPS的负载过轻时,其波形失真系数将有所增大,因此这种UPS的负载需达到其额定值的30%以上。
②后备式正弦波输出UPS的控制电路采用了5OHz市电同步技术,在一定程度上解决了市电一逆变器之间供电转换时的交流电同步问题。
目前,市售产品的转换时间大约为4ms。
也就是说,这类UPS在进行市电——逆变器供电转换时,其转换时间决定了它对负载大约有4ms的供电中断,小于微型计算机允许的中断值lOms。
③后备式正弦波输出UPS处于市电供电状态时,由于市电是直接通过抗干扰滤波器对负载供电的,因此噪声较小;处于逆变器工作状态时,由于脉宽调制频率为8kHz,因此噪声偏大,一般在55dB左右。
④后备式正弦波输出UPS在市电或逆变器供电时均采用同一电源变压器,其交流输出端的相线与零线的位置是固定的。
用户在连接这种UPS输出端的相线与零线时,必须遵守厂家的有关规定。
另外要说明的是,220V交流输出的零线也就是UPS控制电路的地线。
4.后备式方波输出UPS的主要特点
后备式方波输出UPS的单机输出功率为0.25~lkVA。
该机型与后备式正弦波输出UPS的不同之处在于:
当市电电压低于180V或高于250V时向负载提供的是具有稳压特性的5OHz方波电源。
后备式方波输出UPS适宜接电阻性负载,如果接感性负载的话,会烧毁UPS的逆变器或对负载造成损坏。
后备式方波输出UPS具有以下特点:
①后备式方波输出UPS在电路设计中采用了抗干扰式分级调压稳压技术。
当市电电压在180~250V之间变化时,它仍能向微型计算机提供抗电网干扰的稳压电源;当市电中断时,它向负载提供的交流电不是正弦波而是方波,其电压稳定度可达±5%。
②后备式方波输出UPS的逆变器输出的方波脉冲宽度和峰值与负载电流的关系是:
负载越重,方波脉冲的宽度越大,而方波脉冲的峰值越小。
当UPS空载时,方波脉冲的宽度最窄(约98°),方波的峰值最大(约311V)。
因此,这种UPS在从市电供电转换到逆变器供电的瞬间,负载要承受严峻的电压冲击。
同时,由于方波输出中包含有大量的高次谐波分量,因此相对于方波输出UPS而言,负载的整流滤波电容要承受较大的容性电流冲击。
③后备式方波输出UPS在线路设计中没有采取50Hz市电同步技术,因此在进行市电-一逆变器供电转换过程中,有可能出现瞬时的交流电短路,有时负载在转换瞬间要承受接近电源电压两倍的电压的冲击。
另外,方波输出时其正、负方波电压脉冲之间有可能出现近5ms的零电压时间,加上在市电供电---逆变器供电转换过程中继电器有约4ms的转换时间,就可能出现9ms的供电中断。
也就是说/这种类型UPS转换时间的长短带有偶然性,其变化范围为4~9ms。
④后备式方波输出UPS不管是处于市电供电状态还是逆变器供电状态,它的工作频率都是5OHz,所以这种UPS的噪声较小。
⑤后备式方波输出UPS在市电供电和逆变器供电时都采用同一电源变压器,它的交流输出相线与零线的位置是固定的,用户在连接这种UPS输出线的相线和零线时,必须遵守厂家的有关规定,不能改变其相互关系。
⑥后备式方波输出UPS的产品说明书规定,它只能连接微型计算机及其外围设备,不能同其他性质的负载相连。
否则,产品的技术性能得不到保证,还有损坏UPS的危险。
⑦后备式方波输出UPS不能进行频繁的关闭和启动操作。
一般要求在关闭UPS后至少要等待6秒左石才能再次开启,否则可能出现既无市电输出又无逆变器电压输出的不正常现象。
三.在线式UPS
对电源要求越来越高的信息设备,采用后备式和互动式UPS时其供电的技术指标都不如在线式UPS。
所谓在线式,是指不管电网电压是否正常,负载所用的交流电压都要经过逆变电路,即逆变电路始终处于工作状态。
在线式UPS一般为双变换结构。
所谓双变换是指UPS正常工作时,电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换后再供给负载。
当然为了提高的可靠性,双变换大线式UPS一般增加了自动旁路电路。
小功率采用继电器转换便能满足要求,而大功率一般为采用可控硅(SCR)方式的静态开关。
功率较大的UPS在此基础上还增加了手动旁路(维修开关),用于维修时保证负载继续运行。
1.双变换在线式UPS
1)电路各环节功能
当前,绝大多数在线式UPS都采用双变换电路结构,图1-2为双变换在线式UPS结构图。
①变换器1:
该变换器为AC/DC单向变换。
当市电存在时,它完成对蓄电池的充电,并通过变换器2向负载供电。
该变换器多为不可控整流或可控整流电路。
②变换器2:
该变换器为DC/AC单向逆变。
当市电存在时,它由变换器1获得直流电能后再转换为交流电源;当市电中断时,由蓄电池通过变换器2向负载供电。
③旁路开关:
平时处在断开状态,当变换电路发生故障,负载有冲击性故障(例如启动负载时)或发生过载故障时,变换器停止输出,旁路开关接通,由电网直接向负载供电。
旁路开关多为智能型的功率容量很强的无触点开关。
(2)在线式UPS的工作原理
在线式UPS的工作原理如图1-3所示。
当电网供电正常时,电网输入的电压一路经过噪声滤波器去除电网中的高频干扰,以得到纯净的电压,然后进入充电器对蓄电池充电;另一路进入整流器进行整流和滤波,并将交流电转换为平滑直流电供给逆变器,而逆变器又将直流电转换成220V、50Hz的交流电供电负载使用。
另一部分产品把蓄电池直接挂在直流母排上,如图。
通过谐振变换器把市电变成20kHZ、410V的高频高压正弦波,经整流后提供给电池充电及逆变器输入。
当发生断电时,交流电的输入被切断,充电器不再工作,但这时蓄电池放电,把能量输送到逆变器,再由逆变器把直流电转换为交流电供负载使用。
图1-3在线式UPS工作原理框图
目前,在线式UPS使用得较为普遍。
无论市电正常与否,在线式UPS的逆变器始终处于工作状态。
在线式UPS可以从根本上完全消除来自市电的任何电压波动和干扰对负载工作的影响,对电网供电起到“净化”作用,真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频供电。
在线式UPS输出的正弦波的波形失真系数小,目前一般市售产品的波形失真系数均在3%以内。
当市电供电中断时,UPS的输出不需要一个开关转换时间,因此其负载电能的供应是平滑稳定的。
在线式UPS能实现对负载的真正的不间断供电,因此从市电供电到市电中断的过程中,UPS对负载供电的转换时间为零。
由于在线式UPS工作过程是平时对蓄电池充电,当市电供电中断或超出UPS允许输入范围时,再由逆变器将蓄电池的电能逆变成交流电能,因此其电能的转化过程中有大约20%的电能损失,而且该过程所产生的热能又影响周围蓄电池的寿命和电路的可靠性。
(3)传统双变换在线式UPS
这是一种目前应用历史最长,认为性能最好的UPS。
它的结构特点是除了具有整流器和逆变器外,还有输出隔离变压器。
增加隔离变压器主要原因是:
由于过去电力电子器件的限制,缺少高耐压、大电流的功率器件作逆变器,整流器变换出的直流电压不能很高,所以逆变器输出的交流电电压较低,需要输出隔离变压器再进行一次升压。
因其配有输出隔离变压器,可以将负载与市电中线进行有效的隔离和缓冲。
它的工作特点是交流市电经整流器变为稳压直流,经过电容滤波后由逆变器变换为纯净的交流电,再经输出隔离变压器输出稳定适用的交流电压供给负载。
由于负载功率完全通过两个变换器,因此属于串联调整范畴。
属于这种结构的UPS有IMEL、ImvSsiteproFenton、M.G、ElFide(大容量挡)、Sicon及SoComec等,这类UPS具有以下特点:
①除作单机运行外,还可并联增容和冗余,UPS在多机并联时可共用一套蓄电池组或具有各自的蓄电池组;
②输出电压无三次谐波,对两个方向上的电压变化都有缓冲作用;
③负载电压上无直流电流分量,容量可达5OOkVA以上;
传统双变换在线式UPS的拓扑结构如图1-4所示。
在图1-4中,AC/DC采用全波整流滤波电路,整流器可为SCR全控整流、半控整流及不控整流。
可控硅(SCR)整流一般用在中、大功率UPS中,技术相当成熟。
SCR工作在低频。
控制简单,运行稳定可靠,效率高,整流器造价低。
而对于小功率UPS来说,则将220V交流电直接整流滤波更简单、更可靠,成本更低。
UPS的稳压功能是由逆变器DC/AC来完成。
这种拓扑结构的UPS输入功率因数低(一般为0.7左右),输入电流谐波大(最大达30%),改用12相整流(三相输入)或加输入滤波电感,输入功率因数可提高到0.9左右,谐波电流降到10%以下。
UPS的输入功率因数低,意味着输入无功功率大,输入谐波电流污染市电电网,以脉动断续方式向电网索取电流。
这种脉动电流在市电电网沿线路阻抗上形成脉动电压并叠加在电网电压的正弦波上,造成电压失真,这就是所谓电力公害,使得同一电网供电的变压器、电动机等产生附加谐波损耗、过热、加速绝缘老化,高次谐波对通信线路、测量仪器产生辐射干扰并影响电表计量精度。
图1-4传统双变换在线式UPS的拓扑结构
图1-4中蓄电池组通过二极管或可控管与市电整流滤波输出端并联,称为直流母线(BuS)。
当整流后的电压低于蓄电池电压时,则由蓄电池向逆变器提供电能。
逆变器的逆变桥一般由600V的IGBT构成,IGBT一般工作在20kHz左右的SPWM状态。
变压器T2具有电气隔离、升压以及采用其漏感达到滤波的作用。
也有在T2的初级侧串接隔直电容的,以防变压器饱和电流大而损害功率器件。
对于图1—4所示电路,如想拓宽输入电压范围,可在输入整流前加一个自动稳压装置(AVR)。
当三相输入时,则在输入端接一个Y/△型工频变压器,同样适用于上述电路。
(4)带有源功率因数校正电路的双变换式UPS
采用电感等无源功率因数校正(PowerFactorCorrection,)电路的UPS体积大,抑制高次谐波效果差。
在UPS输入端增加有源功率因数校正(ActivePwerFactorCorrec-tin,APFC)电路,能有效地抑制高次谐波。
比较典型的电路拓扑是采用UC3854控制升压式变换器(Boost)的拓扑,它采用平均电流控制模式,具有较好的校正效果,功率因数值能达到0.99,输入电流谐波(THD)小于5%。
同时,一般在输入160~270V电压均有较好的稳压效果,也很容易做到输入120~160V电压时UPS也能工作,但必须降载使用(33%—50%负载)。
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