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Dokumentenidentifikation DE10106944A1 19.09.2002
Titel Verfahren zur Temperaturregelung einer elektrischen Maschine
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Pushkolli, Beqir, 71642 Ludwigsburg, DE;
Scherrbacher, Klaus, 73262 Reichenbach, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Geissler, Isenbruck, 68165 Mannheim
DE-Anmeldedatum 15.02.2001
DE-Aktenzeichen 10106944
Offenlegungstag 19.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse H02P 9/00
IPC-Nebenklasse H02P 7/63   H02H 7/06   H02H 7/08   H02P 1/16   B60R 16/04   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine (1), die eine Erregerwicklung (2) und Ständerwicklungen (4) enthält. Der elektrischen Maschine (1) ist dabei ein Pulswechselrichter (6) und ein Gleichspannungsbordnetz nachgeordnet und sie kann sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden. Erfindungsgemäß wird regelungstechnisch das Überschreiten einer kritischen Temperatur an temperaturempfindlichen Bauteilen der elektrischen Maschine (1) verhindert. Temperatursensoren (12) messen die Temperatur (13) kritischer Bauteile. Ferner erfolgt die Berechnung nicht erfaßbarer Temperaturen über Temperaturmodelle. Bei Erkennen einer kritischen Temperatur wird zugeordnet (16), welche Stellgröße der Regelung die Temperatur des betroffenen Bauteils beeinflußt. Es folgt die Änderung des Sollwertes (19) der relevanten Stellgröße, so daß die Temperatur des betroffenen Bauteils sinkt.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

In modernen Kraftfahrzeugen dienen Generatoren als leistungsfähige Energiequellen. Sie versorgen Starter, Zünd- und Einspritzanlage, Steuergeräte für elektronische Bauteile, Sicherheits- und Komfortelektronik, Beleuchtung usw. mit elektrischer Energie. In Kraftfahrzeugen kommen häufig Klauenpolgeneratoren zum Einsatz. Diese können mit einem Pulswechselrichter betrieben werden, der den Generator mit dem Gleichspannungsbordnetz verbindet. Daraus ergibt sich beispielsweise der Vorteil einer Leistungssteigerung gegenüber dem Betrieb mit passiven Diodengleichrichterbrücken. Ferner kann der Klauenpolgenerator mit einer aktiv gesteuerten Umrichterbrücke motorisch betrieben werden, beispielsweise zum Starten des Kfz-Verbrennungsmotors. Der Generator erfordert eine geeignete Regelung über den gesamten Dreh- und Leistungsbereich.

Stand der Technik

Wesentliche Baukomponenten einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine sind eine Erregerwicklung und Ständerwicklungen. Die Ständerwicklungen bedeuten im Zusammenhang mit dieser Erfindung die statischen Spulenwicklungen der elektrischen Maschine, in denen ein Strom induziert wird (Drehstrom). Die Erregerwicklung entspricht den stromdurchflossenen Spulenwicklungen, die sich in dem mehrpoligen Rotor der elektrischen Maschine befinden, und die zur Erzeugung des magnetischen Feldes dienen, das in den Ständerwicklungen (im Stator) elektrische Ströme induziert. In der Erregerwicklung fließt der Erregerstrom iF. Die Ständerwicklungen der dreiphasig betreibbaren elektrischen Maschine enthalten drei Phasenstränge R, S und T, in denen die drei im RST-System auftretenden Phasenströme (Leiterströme) iR, iS und iT fließen.

Zur Regelung von elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Drehstromgeneratoren, existieren bereits Regelstrukturen. Diese sind z. B. zur Mehrgrößenregelung einer Klauenpolmaschine geeignet. Bei der Auslegung dieser Regelstrukturen wurde der Einfluß der durch die Strangströme und den Erregerstrom erzeugten Wärmeenergie nicht berücksichtigt, die zu einer Temperaturerhöhung führt.

Bei Generatoren ist für alle Betriebspunkte die Forderung nach einem optimalen Wirkungsgrad zu erfüllen. Daraus ergeben sich für die Regelung mehrere wirkungsgradoptimierte Regelbereiche. So gibt es Regelbereiche, in denen eine Regelung des Generators über Erreger- und Ständerströme erfolgt (Pulswechselrichterbetrieb) und Regelbereiche, in denen die Regelung der Abgabeleistung ausschließlich über den Erregerstrom erfolgt (Diodenbetrieb). Letzterer Betriebszustand entspricht einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine mit einer nachgeordneten passiven Diodenbrücke.

Eine Klauenpolmaschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter, auch Hochleistungsgenerator mit Startfunktion (HGS) genannt, läßt sich zusätzlich als Motor betreiben. Der Umrichter bleibt von diesem Wechsel des Betriebsmodus unberührt. Der Betrieb als Motor eröffnet neue interessante Anwendungsmöglichkeiten für die Klauenpolmaschine mit Pulswechselrichter, wie beispielsweise bei dem Start eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, bei der Getriebesynchronisation und bei der Parkhilfe.

Durch den der elektrischen Maschine nachgeordneten Pulswechselrichter ändern sich die thermischen und elektrischen Betriebspunkte der Maschine gegenüber dem Betrieb mit Diodengleichrichterbrücke. Die elektrische Maschine muß vor einer thermischen Überlastung geschützt werden.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine, die eine Erregerwicklung und Ständerwicklungen enthält und der ein Pulswechselrichter und ein Gleichspannungsbordnetz nachgeordnet sind. Die elektrische Maschine kann als Motor und als Generator betrieben werden und erfindungsgemäß wird regelungstechnisch das Überschreiten einer kritischen Temperatur an temperaturempfindlichen Bauteilen der elektrischen Maschine verhindert. Es erfolgt beispielsweise ein regelungstechnischer Eingriff in die Ströme der elektrischen Maschine zur Verhinderung der Überhitzung der temperaturempfindlichen Bauteile. Vorteile dieses regelungstechnischen Eingriffs sind, daß zusätzlich zur Kühlung durch thermomechanische Maßnahmen noch eine Kühlung durch regelungstechnische Maßnahmen möglich wird. Ferner können auch Bauteile vor der Überhitzung geschützt werden, die durch thermomechanische Maßnahmen nur schwierig oder gar nicht gekühlt werden können. Durch die Begrenzung der jeweiligen Bauteiltemperatur auf den erlaubten Temperaturbereich kann eine sichere Funktionalität des Bauteils und damit auch der elektrischen Maschine selbst gewährleistet werden.

Kritische Bauteile der elektrischen Maschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter sind beispielsweise der Zwischenkreiskondensator, der Pulswechselrichter selbst, das Schleifringsystem, Leistungshalbleiter (FET), der Mikrocontroller (µC) oder das ASIC.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert zunächst eine Temperaturbestimmung, damit die Erwärmung eines Bauteils auf eine kritische Temperatur, die zu einer thermischen Überlastung des Bauteils führen kann, erkannt wird. Zur Temperaturbestimmung gehört einerseits die Temperaturmessung kritischer Bauteile mit Temperatursensoren und andererseits (falls erforderlich) die Berechnung nicht direkt meßbarer Temperaturen über Temperaturmodelle.

Das Meßprinzip der Sensoren zur Temperaturmessung kann auf Wärmeausdehnung, der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes, Thermospannungsänderungen oder Wärmestrahlungsmessung beruhen. Die Temperaturmessung im Kraftfahrzeug nutzt bevorzugt die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Widerstandsmaterialien mit positivem (PTC) oder negativem (NTC) Temperaturkoeffizienten als Berührungsthermometer. Eine berührungslose (pyrometrische) Temperatursensierung ist ebenfalls möglich. Bei der Berechnung nicht direkt meßbarer Temperaturen können bekannte, gemessene Temperaturen sowie bauteilspezifische Größen wie die Dichte, die spezifische Wärmekapazität, die Wärme- und die Temperaturleitfähigkeit in die Rechnung einfließen, die von den für das Bauteil verwendeten Werkstoffen abhängen.

Nach der Bestimmung der Temperaturen wärmeempfindlicher Bauteile werden diese ausgewertet. Es werden sowohl die gemessenen Temperaturen als auch die berechneten Temperaturen ausgewertet. Sie werden mit der kritischen Temperatur des jeweiligen Bauteils verglichen, bei deren Überschreiten eine thermische Überlastung zu erwarten ist. Bei einer erkannten, zu hohen Temperatur, die größer oder gleich der kritischen Temperatur ist, erfolgt erfindungsgemäß eine Zuordnung der Stellgrößen, durch die die Temperatur des zu warmen Bauteils beeinflußt werden kann. Der Sollwert der relevanten Stellgröße wird geändert, so daß sich eine geringere Temperatur an dem zu warmen Bauteil einstellt, wobei gleichzeitig angestrebt wird, die Ausgangsspannung auf ihrem Sollwert zu halten.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Den schematischen Aufbau einer elektrischen Maschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter;

Fig. 2 die Regelstruktur für eine als Generator betriebene elektrische Maschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter im Pulswechselrichterbetrieb;

Fig. 3 die Regelstruktur für einen Generator im Diodenbetrieb und

Fig. 4 die Regelstruktur für eine als Motor betriebene elektrische Maschine im Starterbetrieb.

Ausführungsvarianten

Fig. 1 zeigt den im Stande der Technik bekannten schematischen Aufbau einer elektrischen Maschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter. Die elektrische Maschine 1 ist hier nur schematisch durch die Erregerwicklung 2 und die Ständerwicklung 4 dargestellt. Durch die Erregerwicklung 2 fließt der Erregerstrom iF (Bezugszeichen 3). Die elektrische Maschine 1 ist über die drei Phasenstränge im RST-System 5 mit einem Pulswechselrichter 6 verbunden. Der Pulswechselrichter 6 enthält eine Anzahl Schalter 8 und Dioden 7, sowie einen Kondensator 9, der parallel zur Netzspannung 10 geschaltet ist. Ein verstellbarer Ohmscher Widerstand steht für eine veränderliche Last 11. Die Last 11 kann beispielsweise ein Gleichspannungsbordnetz und eine Batterie enthalten, z. B. ein 14 V- oder ein 42 V- Bordnetz eines Kraftfahrzeuges bzw. einer 12 V- oder eine 36 V-Batterie.

Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Regelstruktur für einen Generator mit nachgeordnetem Pulswechselrichter im Pulswechselrichterbetrieb. Temperatursensoren 12 messen die Temperaturen 13 der kritischen Bauteile des Generators. Es folgt eine Auswertung 14 der gemessenen Temperaturen 13, wobei auch nicht direkt messbare Temperaturen über Temperaturmodelle berechnet werden können. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur erfolgt eine Meldung 15 der kritischen Temperatur. Anschließend findet eine Zuordnung 16 statt, welche Stellgröße einen Einfluß auf die Temperatur hat, die einen kritischen Wert erreicht hat. In diesem Beispiel kann über zwei Stellgrößen in die Regelung der Netzspannung 10 bzw. der Leistung 17 eingegriffen werden, über den Erregerstrom iF 3 und über die Phasenströme 18. Die relevante Stellgröße erfährt eine Sollwertänderung 19, die an einen übergeordneten Spannungsregler 20 und an einen Mehrgrößenregler 21 übertragen wird. Der durch den übergeordneten Spannungsregler 20 vorgegebene Sollwert 22 für den Erregerstrom 3 erfährt, falls der Erregerstrom 3 die relevante Stellgröße bei einer Bauteilüberhitzung ist, eine Sollwertänderung 19. Dadurch fließt in den im Mehrgrößenregler 21 enthaltenen Erregerstromregler 23 außer dem Erregerstrom-Istwert 24 ein neuer Erregerstrom-Sollwert 25 ein. Am Ausgang des Mehrgrößenreglers 21 stellt sich als Resultat eine Änderung des Erregerstroms 3 ein, der durch die Erregerwicklung 2 der elektrischen Maschine 1 fließt. Falls die Phasenströme 5 die relevanten Stellgrößen bei einer Bauteilüberhitzung sind, so wird der Phasenstrom-Sollwert 26 beeinflußt. Der übergeordnete Spannungsregler 20 enthält eine Regelstrecke 27 für die Spannung, für die sowohl die Ist-Spannung 28 als auch die Soll-Spannung 29 Eingangsgrößen sind. Am Ausgang der Regelstrecke für die Spannung 27 ergibt sich ein Vorgabewert für die Phasenströme 18. Dieser kann im Falle einer Bauteilüberhitzung eine Sollwertänderung 19 erfahren, so daß am Eingang des im Mehrgrößenregler 21 enthaltenen Phasenstromreglers 30 ein geänderter Phasenstromsollwert 26 anliegt, gemeinsam mit dem Phasenstrom Ist-Wert 31. In beiden oben genannten Fällen einer Sollwertänderung 19 wegen des Erreichens einer kritischen Temperatur in einem Bauteil der elektrischen Maschine 1 ist das Ziel des übergeordneten Spannungsreglers 20, weiterhin die erforderliche Bordnetzspannung 10 und auch die erforderliche Bordnetzleistung 17 einzustellen und diese solange wie möglich aufrechtzuerhalten.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Regelstruktur für einen Generator mit nachgeordnetem Pulswechselrichter im Diodenbetrieb. Der Diodenbetrieb ist einer der möglichen wirkungsgradoptimierten Regelbereiche. Der Pulswechselrichter 6 muß bei Regelung der elektrischen Maschine 1 im Diodenbetrieb nicht gesteuert werden. Die Leistungsabgabe 17 wird in diesem Regelbereich ausschließlich durch den Erregerstrom 3 geregelt. Dieser Betrieb entspricht dem Betrieb der elektrischen Maschine mit einer Diodengleichrichterbrücke. Wie auch im Pulswechselrichterbetrieb werden bei der vorliegenden Erfindung die Temperaturen 13 kritischer Generatorbauteile mit Temperatursensoren 12 gemessen, ausgewertet 14 (und auch nicht direkt messbare Temperaturen berechnet), kritische Temperaturen gemeldet 15 und einer Stellgröße zugeordnet 16. Eine notwendige Sollwertänderung 19 wirkt sich auf die Regelstrecke für die Spannung 27 aus, die die Vorgabe eines Spannungssollwertes 32 erhält, die sich aus der eigentlichen Sollspannung 29, der Istspannung 28 und der Sollwertänderung 19 ergibt. Der daraus folgende Erregerstrom-Sollwert 25 geht gemeinsam mit dem Erregerstrom Ist-Wert 24 in den Erregerstromregler 23 ein, wodurch sich der Erregerstrom 3 ändert, der durch die Erregerwicklung 2 der elektrischen Maschine 1 fließt. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Gedanken stellt sich dabei eine Temperaturverringerung an dem Bauteil ein, das seine kritische Temperatur erreicht oder überschritten hat.

In Fig. 4 ist die Regelstrecke für eine im Starterbetrieb als Motor betriebene elektrische Maschine mit Pulswechselrichter dargestellt. Mit Starterbetrieb wird in diesem Zusammenhang der Betrieb der elektrischen Maschine sowohl während des Kaltstarts, als auch während des Warmstarts eines Kraftfahrzeug-Motors und auch während des Start-Stopp- Betriebs bezeichnet. Start-Stopp-Betrieb bedeutet dabei, daß sich der laufende Kraftfahrzeug-Motor bei Stillstand des Kraftfahrzeugs automatisch abschaltet (z. B. an einer roten Ampel) und (z. B. bei Loslassen des Bremspedals durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs) zum Losfahren automatisch wieder startet. Selbst beim Kaltstart eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors treten sehr hohe Ströme in dem HGS auf (etwa 200 A im Ständerkreis der elektrischen Maschine und etwa 15 A im Erregerkreis), sodaß kritische Temperaturen erreicht werden können, insbesondere bei wiederholten Startversuchen des Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotors.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung messen Temperatursensoren 12 die Temperaturen 13 der kritischen Bauteile der elektrischen Maschine 1. Es folgt eine Auswertung 14 der gemessenen Temperaturen 13, wobei auch nicht direkt messbare Temperaturen über Temperaturmodelle berechnet werden können. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur erfolgt eine Meldung 15 der kritischen Temperatur. Anschließend findet eine Zuordnung 16 statt, welche Stellgröße einen Einfluß auf die Temperatur hat, die einen kritischen Wert erreicht hat. In diesem Beispiel kann über zwei Stellgrößen in die Regelung der Netzspannung 10 bzw. der Leistung 17 eingegriffen werden, über den Erregerstrom iF 3 und über die Phasenströme 18. Das Ergebnis der Zuordnung 16 wird an die Startablaufsteuerung 33 weitergegeben. Hauptaufgaben der Startablaufsteuerung 33 sind die Erkennung eines Start-Stopp-Wunsches, die Erzeugung der notwendigen Sollwertgrößen, das Ausschalten des Gesamtsystems im Fehlerfall und die Betriebsumschaltung vom Starterbetrieb in den Generatorbetrieb und umgekehrt. Desweiteren gibt die Startablaufsteuerung das maximal erforderliche Start-Drehmoment vor und steuert sowohl die Drehmomentvorgaben während des Startvorgangs als auch die maximale Startzeit. Im Falle des Überschreitens der kritischen Temperatur eines Bauteils der elektrischen Maschine 1 und der Meldung der relevanten Stellgröße an die Startablaufsteuerung 33 erfolgt eine Sollwertänderung 19 für die relevante Stellgröße (Erregerstrom 3 oder Phasenströme 18), die sich ebenso auswirkt wie oben für Fig. 2 beschrieben. Zusätzlich zu einer Änderung des Erregerstroms 3 oder der Phasenströme 18 können bei Erreichen einer kritischen Temperatur im Starterbetrieb zusätzlich folgende Funktionen und Größen durch die Startablaufsteuerung beeinflusst werden: Die Start-Stopp-Freigabe, die maximale Startzeit und das maximale Startmoment 34. Die Start-Stopp-Freigabe kann dahingehend beeinflusst werden, daß bei erkannter, zu hoher Temperatur eines Bauteils der Start-Stopp- Steuerung mitgeteilt wird, daß diese Betriebsart aktuell nicht zulässig ist. Das Startmoment kann trotz Herabsetzung wegen zu hoher Temperatur eines Bauteils noch für den Warmstart eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors genügen, da sich bei einem warmen bzw. heissen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor das notwendige Startdrehmoment reduziert. Bezugszeichenliste 1 elektrische Maschine

2 Erregerwicklung

3 Erregerstrom iF

4 Ständerwicklung

5 Phasenstränge im RST-System

6 Pulswechselrichter

7 Dioden

8 Schalter

9 Kapazität

10 Netzspannung

11 Last

12 Temperatursensoren

13 Gemessene Temperatur

14 Auswertung der ermittelten Temperaturen

15 Meldung einer kritischen Temperatur

16 Zuordnung Stellgröße zu kritischer Temperatur

17 Leistung

18 Phasenströme

19 Sollwertänderung

20 Übergeordneter Spannungsregler

21 Mehrgrößenregler

22 Sollwert

23 Erregerstromregler

24 Erregerstrom-Istwert

25 Erregerstrom-Sollwert

26 Phasenstrom-Sollwert.

27 Regelstrecke für die Spannung

28 Ist-Spannung

29 Soll-Spannung

30 Phasenstromregler

31 Phasenstrom-Istwert

32 Spannungs-Sollwertvorgabe

33 Startablaufsteuerung

34 Startmoment und Startzeit


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine (1), enthaltend eine Erregerwicklung (2) sowie Ständerwicklungen (4), der ein Pulswechselrichter (6) und ein Gleichspannungsbordnetz nachgeordnet sind, wobei die elektrische Maschine (1) als Generator und als Motor betrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß regelungstechnisch das Überschreiten einer kritischen Temperatur an temperaturempfindlichen Bauteilen der elektrischen Maschine (1) verhindert wird.
  2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1 mit folgenden Verfahrensschritten:
    1. - Temperaturmessung der kritischen Bauteile mit Temperatursensoren (12) und eventuell Temperaturberechnung nicht direkt meßbarer Temperaturen über Temperaturmodelle;
    2. - Auswertung der gemessenen Temperaturen (13) und der berechneten Temperaturen und Vergleich mit kritischen Temperaturen;
    3. - bei Erreichen der kritischen Temperatur an einem kritischen Bauteil erfolgt eine Zuordnung (16), welche Stellgröße die Temperatur des zu warmen Bauteils beeinflußt und
    4. - Regelung durch eine Änderung des Sollwertes (19) einer oder mehrerer Stellgrößen, so daß die Temperatur des zu warmen Bauteils sinkt.
  3. 3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung über Temperatursensoren (12) erfolgt, deren Meßprinzip auf Wärmeausdehnung, Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes, Thermospannungsänderungen oder Wärmestrahlungsmessung beruht.
  4. 4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen der Erregerstrom iF (3) und/oder die Phasenströme (18) sind.
  5. 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichent, daß die Stellgrößen im Pulswechselrichterbetrieb des Generators die Erreger- (3) und die Phasenströme (18) sind.
  6. 6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße im Diodenbetrieb des Generators der Erregerstrom (3) ist.
  7. 7. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen im Starterbetrieb der elektrischen Maschine (1) der Erregerstrom (3) und die Phasenströme (18) sind.
  8. 8. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße mit geändertem Sollwert die Eingangsgröße eines Mehrgrößenstromreglers (21) ist.
  9. 9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Mehrgrößenstromregler (21) übergeordneter Spannungsregler (20) die Spannung (10) des Gleichspannungsbordnetzes regelt.
  10. 10. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Änderung des Sollwertes (19) einer oder mehrerer Stellgrößen die elektrische Ausgangsleistung der elektrischen Maschine (1) reduziert wird.
  11. 11. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorbetrieb der elektrischen Maschine (1) bei Erreichen einer kritischen Temperatur der Startstrom, das Startmoment oder die zulässige Startzeit (34) reduziert werden und/oder der Start-Stopp-Betrieb der elektrischen Maschine unterbunden wird.






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