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電機(jī)知識(shí)培訓(xùn)課件第一章:電機(jī)基礎(chǔ)概述電機(jī)的定義與作用電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置,是現(xiàn)代工業(yè)的核心動(dòng)力源。它通過電磁感應(yīng)原理,利用電流與磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩,驅(qū)動(dòng)各類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行。電機(jī)在工業(yè)中的重要性電機(jī)消耗全球約40%的電力,是工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、家用電器等領(lǐng)域不可或缺的核心部件。高效電機(jī)技術(shù)對(duì)節(jié)能減排具有重大意義。課程目標(biāo)與學(xué)習(xí)路徑電機(jī)的基本工作原理電能輸入電源向電機(jī)繞組提供電能,形成電流。根據(jù)電機(jī)類型不同,可以是直流電或交流電。磁場(chǎng)與電流相互作用當(dāng)電流通過線圈時(shí),產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)與永磁體或其他電磁鐵的磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生力或轉(zhuǎn)矩。機(jī)械能輸出電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)電機(jī)的主要組成部分定子電機(jī)的固定部分,通常包含主磁路和繞組,負(fù)責(zé)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在交流電機(jī)中,定子繞組連接到交流電源;在直流電機(jī)中,定子可能是永磁體或電磁鐵。轉(zhuǎn)子電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分,在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。根據(jù)電機(jī)類型不同,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有差異,如鼠籠式、繞線式等。輔助部件電機(jī)的分類直流電機(jī)使用直流電源,具有良好的調(diào)速性能。主要包括:永磁直流電機(jī)串勵(lì)直流電機(jī)并勵(lì)直流電機(jī)復(fù)勵(lì)直流電機(jī)交流電機(jī)使用交流電源,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)成本低。主要包括:異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))同步電機(jī)單相電機(jī)三相電機(jī)無刷電機(jī)無需換向器和電刷,壽命長(zhǎng),效率高。主要包括:無刷直流電機(jī)(BLDC)永磁同步電機(jī)(PMSM)直流電機(jī)詳解結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直流電機(jī)的核心特點(diǎn)是使用刷子與換向器結(jié)構(gòu),使轉(zhuǎn)子繞組中的電流方向隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變,從而保持轉(zhuǎn)矩方向不變。換向器:分段銅環(huán),與轉(zhuǎn)子繞組相連電刷:固定在定子上,與換向器接觸傳導(dǎo)電流定子:通常為永磁體或電磁鐵,提供固定磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子:繞有線圈的鐵芯,電流通過產(chǎn)生電磁場(chǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景需要精確控制轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合:機(jī)床、電動(dòng)工具需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備:電動(dòng)車輛、起重機(jī)電池供電設(shè)備:便攜式電動(dòng)工具、玩具交流電機(jī)詳解單相與三相電機(jī)區(qū)別單相電機(jī)使用單相交流電源,啟動(dòng)需要輔助繞組;三相電機(jī)使用三相電源,自然形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,效率更高,功率密度更大,是工業(yè)應(yīng)用的主流。感應(yīng)電機(jī)與同步電機(jī)感應(yīng)電機(jī):轉(zhuǎn)子速度低于同步速度,存在"滑差",結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠;同步電機(jī):轉(zhuǎn)子與磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn),速度恒定,效率更高,但控制更復(fù)雜。轉(zhuǎn)速與極數(shù)關(guān)系三相交流電機(jī)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)原理三相交流電機(jī)的核心工作原理是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)三相交流電(相位相差120°)通過定子的三相繞組時(shí),產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)在空間呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體,在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用,使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并跟隨磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)性能參數(shù)解析額定功率與效率額定功率是電機(jī)在額定條件下可持續(xù)輸出的機(jī)械功率,單位為千瓦(kW)或馬力(HP),1HP約等于0.746kW。電機(jī)效率η=輸出功率/輸入功率×100%,高效電機(jī)效率可達(dá)95%以上。效率等級(jí)通常分為IE1至IE4,數(shù)字越大效率越高。轉(zhuǎn)速與同步速度同步速度ns=60f/p(rpm),f為頻率,p為極對(duì)數(shù)。實(shí)際轉(zhuǎn)速低于同步速度,差值稱為"滑差"。滑差率s=(ns-n)/ns×100%,通常為2%-8%,負(fù)載越大滑差越大。負(fù)載特性與滑差電機(jī)負(fù)載特性是指轉(zhuǎn)矩、電流、功率因數(shù)等參數(shù)隨負(fù)載變化的關(guān)系曲線。過載能力:短時(shí)間內(nèi)承受超過額定負(fù)載的能力,通??蛇_(dá)額定轉(zhuǎn)矩的150%-200%。電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)解讀基本電氣參數(shù)額定電壓(V):電機(jī)正常工作的電壓額定電流(A):額定負(fù)載下的電流頻率(Hz):電源頻率,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為50Hz功率因數(shù)(cosφ):有效功率與視在功率之比防護(hù)與絕緣參數(shù)絕緣等級(jí):表示電機(jī)耐熱性能,常見F級(jí)(155℃)防護(hù)等級(jí):IP代碼,如IP55,第一位防固體,第二位防液體服務(wù)系數(shù):可超負(fù)荷運(yùn)行的倍數(shù)電機(jī)啟動(dòng)與控制基礎(chǔ)啟動(dòng)方式直接啟動(dòng)(DOL):直接連接電源,簡(jiǎn)單但啟動(dòng)電流大,適用于小功率電機(jī)星三角啟動(dòng):先星形連接再切換為三角形,降低啟動(dòng)電流至直接啟動(dòng)的1/3自耦變壓器啟動(dòng):通過變壓器降低啟動(dòng)電壓,減小啟動(dòng)電流軟啟動(dòng)器:通過電力電子元件控制電壓緩慢上升,平滑啟動(dòng)正反轉(zhuǎn)控制原理三相電機(jī):交換任意兩相電源線單相電機(jī):交換主繞組或輔助繞組的連接方向直流電機(jī):改變電樞繞組的電流方向控制電路通常使用接觸器互鎖電路實(shí)現(xiàn)安全切換制動(dòng)控制方法能耗制動(dòng):利用電機(jī)本身特性消耗能量反接制動(dòng):短時(shí)間反向通電產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩直流制動(dòng):斷開交流電源并向定子繞組施加直流電電機(jī)保護(hù)與安全規(guī)范過載保護(hù)過載是指電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在超過額定負(fù)載的狀態(tài),導(dǎo)致溫度過高,損壞絕緣。熱繼電器:利用電流產(chǎn)生的熱效應(yīng),模擬電機(jī)發(fā)熱特性電子過載繼電器:更精確的電子監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置熱敏元件:直接監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度,如PTC熱敏電阻短路保護(hù)短路電流極大,需要快速切斷電源防止損壞。斷路器:能夠自動(dòng)斷開異常大電流的開關(guān)熔斷器:利用熔體在大電流下熔斷來切斷電路國(guó)家電氣規(guī)范要求接地保護(hù):防止殼體帶電危及人身安全絕緣檢測(cè):定期檢查絕緣電阻,不低于0.5MΩ電機(jī)控制電路實(shí)例PLC控制電路應(yīng)用可編程邏輯控制器(PLC)是現(xiàn)代電機(jī)控制的核心設(shè)備,通過編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制邏輯。輸入模塊:接收按鈕、傳感器信號(hào)輸出模塊:控制接觸器、繼電器CPU:執(zhí)行程序邏輯,決策控制動(dòng)作通信模塊:與其他系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)典型啟動(dòng)停止控制電路基本的三線制控制電路包含:主電路:電源—接觸器—電機(jī)控制電路:?jiǎn)?dòng)按鈕—停止按鈕—接觸器線圈自鎖電路:通過接觸器輔助觸點(diǎn)維持通電保護(hù)裝置:過載繼電器、熔斷器等正反轉(zhuǎn)控制電路詳解正反轉(zhuǎn)控制需要兩個(gè)接觸器,通過互鎖防止同時(shí)閉合:電氣互鎖:利用輔助觸點(diǎn)互鎖機(jī)械互鎖:物理結(jié)構(gòu)防止同時(shí)閉合延時(shí)控制:確保反向前完全停止PLC控制電路示例上圖展示了一個(gè)典型的PLC控制電機(jī)的電路圖,其中關(guān)鍵元件包括:電源部分:三相電源輸入,帶熔斷器保護(hù)PLC控制單元:CPU模塊,數(shù)字輸入/輸出模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分:接觸器,熱繼電器操作界面:?jiǎn)?dòng)/停止按鈕,緊急停止按鈕反饋信號(hào):過載指示,運(yùn)行狀態(tài)指示保護(hù)電路:過流保護(hù),短路保護(hù)變頻器與調(diào)速技術(shù)變頻器工作原理變頻器是通過改變電源頻率和電壓來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置,主要由整流、濾波、逆變?nèi)糠纸M成:整流:將交流電轉(zhuǎn)換為直流電濾波:平滑直流電壓,減小紋波逆變:將直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率的交流電通過V/f控制或矢量控制等方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)節(jié)能效果顯著:尤其適用于風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載轉(zhuǎn)速范圍寬:通??蓪?shí)現(xiàn)10:1以上的調(diào)速范圍啟動(dòng)電流小:軟啟動(dòng)功能減少對(duì)電網(wǎng)沖擊無刷直流電機(jī)(BLDC)介紹結(jié)構(gòu)與工作原理無刷直流電機(jī)通過電子換向取代了傳統(tǒng)的換向器和電刷。定子:帶有三相繞組轉(zhuǎn)子:永磁體,通常使用稀土永磁材料位置傳感器:霍爾傳感器或編碼器電子控制器:驅(qū)動(dòng)電路與控制邏輯優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用領(lǐng)域無刷電機(jī)結(jié)合了直流電機(jī)和交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。效率高:無電刷損耗,效率可達(dá)90%以上壽命長(zhǎng):無機(jī)械磨損部件,可靠性高噪音低:電子換向平穩(wěn),振動(dòng)小散熱好:繞組在外部,易于散熱控制方式簡(jiǎn)述無刷電機(jī)需要電子控制器實(shí)現(xiàn)換向功能。六步換向法:基于霍爾傳感器信號(hào)PWM調(diào)速:通過脈寬調(diào)制控制電壓正弦波控制:減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),運(yùn)行更平穩(wěn)電機(jī)故障診斷與維護(hù)1機(jī)械故障表現(xiàn):異常振動(dòng)、噪音、過熱軸承磨損:轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn),有金屬摩擦聲軸彎曲:振動(dòng)明顯,噪音大機(jī)械不平衡:特定頻率振動(dòng)檢測(cè)方法:振動(dòng)分析、噪音測(cè)量、溫度監(jiān)測(cè)2電氣故障表現(xiàn):?jiǎn)?dòng)困難、過熱、保護(hù)跳閘繞組短路:局部過熱,絕緣電阻低斷路:不能啟動(dòng)或運(yùn)行中突然停止接地故障:漏電保護(hù)器動(dòng)作檢測(cè)方法:絕緣電阻測(cè)試、電流分析、溫升測(cè)試3維護(hù)保養(yǎng)預(yù)防性維護(hù)可顯著延長(zhǎng)電機(jī)壽命定期清潔:每3-6個(gè)月清除灰塵、油污軸承檢查:每6-12個(gè)月檢查潤(rùn)滑狀況電氣測(cè)試:每年進(jìn)行絕緣電阻和電流測(cè)試電機(jī)節(jié)能技術(shù)與趨勢(shì)高效電機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)代高效電機(jī)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能:高品質(zhì)硅鋼片:減少鐵損銅線截面優(yōu)化:減少銅損風(fēng)扇與散熱系統(tǒng)改進(jìn):降低溫升軸承優(yōu)化:減少機(jī)械損耗高效電機(jī)初始成本略高,但生命周期成本更低,投資回報(bào)期通常為1-3年。智能控制與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用預(yù)測(cè)性維護(hù):基于數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)故障遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)狀態(tài)自適應(yīng)控制:根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)電機(jī)應(yīng)用案例分享工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用在現(xiàn)代工廠中,伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于精密定位控制:數(shù)控機(jī)床:高精度伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)加工工業(yè)機(jī)器人:多軸協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作自動(dòng)化生產(chǎn)線:同步控制多臺(tái)電機(jī),實(shí)現(xiàn)精確配合案例:某汽車廠引入伺服控制系統(tǒng)后,生產(chǎn)效率提升35%,不良率下降60%。電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)新能源汽車的核心是高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng):永磁同步電機(jī):高功率密度,高效率電機(jī)控制器:實(shí)現(xiàn)扭矩精確控制和能量回收熱管理系統(tǒng):保證電機(jī)在最佳溫度范圍工作案例:某電動(dòng)汽車品牌采用新一代永磁同步電機(jī),續(xù)航里程提升20%,加速性能提升15%。家用電器電機(jī)應(yīng)用家電產(chǎn)品中的電機(jī)正向高效、靜音、智能方向發(fā)展:變頻空調(diào):采用無刷直流電機(jī),節(jié)能30%以上洗衣機(jī):直驅(qū)電機(jī)取代傳統(tǒng)皮帶傳動(dòng),降低噪音冰箱壓縮機(jī):變頻技術(shù)精確控制溫度,延長(zhǎng)食品保鮮期工業(yè)機(jī)器人電機(jī)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人是電機(jī)應(yīng)用的集大成者,通常在一臺(tái)機(jī)器人中集成了多種類型的電機(jī)。上圖展示了典型的工業(yè)機(jī)器人,其關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)通常采用高精度伺服電機(jī),末端執(zhí)行器可能使用步進(jìn)電機(jī)或特種電機(jī)。工業(yè)機(jī)器人對(duì)電機(jī)的要求極高:高精度、高響應(yīng)速度、高可靠性、高功率密度、寬調(diào)速范圍。為滿足這些要求,機(jī)器人電機(jī)通常采用高性能永磁材料,配合高分辨率編碼器和先進(jìn)的控制算法,實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的定位精度和毫秒級(jí)的響應(yīng)速度。電機(jī)選型指南負(fù)載分析了解負(fù)載特性是選型的首要步驟:負(fù)載類型:恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)矩、恒功率啟動(dòng)特性:是否需要高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩速度要求:固定速度或變速范圍精度要求:速度精度、位置精度工作制:連續(xù)運(yùn)行或間歇運(yùn)行環(huán)境條件環(huán)境因素直接影響電機(jī)的可靠性:溫度范圍:環(huán)境溫度影響電機(jī)壽命濕度條件:高濕環(huán)境需防潮設(shè)計(jì)海拔高度:高海拔需降額使用腐蝕氣體:化工環(huán)境需特殊防護(hù)防爆要求:易燃易爆環(huán)境需防爆電機(jī)經(jīng)濟(jì)性考量全面評(píng)估電機(jī)的總擁有成本:初始投資:設(shè)備購(gòu)置與安裝成本運(yùn)行成本:能耗、維護(hù)費(fèi)用可靠性:故障率與維修難度壽命周期:預(yù)期使用年限電機(jī)安裝與調(diào)試要點(diǎn)機(jī)械安裝規(guī)范正確的機(jī)械安裝是電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ):基礎(chǔ)準(zhǔn)備:堅(jiān)固、平整、防振對(duì)中校準(zhǔn):與負(fù)載軸線精確對(duì)齊,誤差控制在0.05mm以內(nèi)緊固固定:按對(duì)角順序均勻擰緊螺栓散熱空間:保留足夠散熱空間,通常至少為電機(jī)直徑的1/4電氣接線注意事項(xiàng)接線圖確認(rèn):嚴(yán)格按照接線圖連接絕緣檢查:安裝前測(cè)試?yán)@組絕緣電阻接地保護(hù):確??煽拷拥?,防止觸電電纜選擇:合適截面的電纜,避免電壓降過大調(diào)試流程電機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC標(biāo)準(zhǔn)是全球電機(jī)行業(yè)最權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)之一:IEC60034系列:旋轉(zhuǎn)電機(jī)通用要求IEC60072:電機(jī)尺寸和輸出標(biāo)準(zhǔn)IEC60085:電氣絕緣材料熱分級(jí)IEC61800:電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IEC標(biāo)準(zhǔn)被全球100多個(gè)國(guó)家采用或參考,是國(guó)際貿(mào)易的重要依據(jù)。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)的電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系完善,主要包括:GB755:旋轉(zhuǎn)電機(jī)通用技術(shù)條件GB/T1032:三相異步電機(jī)型號(hào)命名方法GB18613:電機(jī)能效限定值及能效等級(jí)GB/T10069:電機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)與IEC標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致,部分有更嚴(yán)格的要求。認(rèn)證標(biāo)志與質(zhì)量保證電機(jī)產(chǎn)品的主要認(rèn)證包括:CCC認(rèn)證:中國(guó)強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證CE標(biāo)志:歐盟市場(chǎng)準(zhǔn)入標(biāo)志UL認(rèn)證:美國(guó)安全認(rèn)證能效標(biāo)識(shí):能源效率等級(jí)標(biāo)識(shí)電機(jī)培訓(xùn)資源推薦經(jīng)典教材與參考書目以下書籍被廣泛認(rèn)可為電機(jī)學(xué)習(xí)的權(quán)威資源:《電機(jī)學(xué)》第五版,湯蘊(yùn)璆編著,機(jī)械工業(yè)出版社《電機(jī)原理》,唐任遠(yuǎn)編著,清華大學(xué)出版社《電機(jī)控制系統(tǒng)》,陳伯時(shí)編著,機(jī)械工業(yè)出版社《變頻調(diào)速系統(tǒng)及應(yīng)用》,黃錫璆編著,中國(guó)電力出版社《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》,阮毅編著,機(jī)械工業(yè)出版社在線課程與視頻資源利用數(shù)字化學(xué)習(xí)資源可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí):中國(guó)大學(xué)MOOC:《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程嗶哩嗶哩:《電機(jī)維修技能培訓(xùn)》系列視頻騰訊課堂:《變頻器應(yīng)用與維護(hù)》專業(yè)課程工業(yè)電氣網(wǎng):提供大量免費(fèi)電機(jī)技術(shù)視頻西門子自動(dòng)化學(xué)院:《電機(jī)控制技術(shù)》在線培訓(xùn)行業(yè)協(xié)會(huì)與技術(shù)論壇加入專業(yè)社群獲取最新行業(yè)信息:中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì):定期舉辦技術(shù)研討會(huì)中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì):發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與報(bào)告電氣傳動(dòng)網(wǎng)論壇:專業(yè)技術(shù)交流平臺(tái)自動(dòng)化學(xué)會(huì)電氣專委會(huì):前沿技術(shù)研究電機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)智能電機(jī)與數(shù)字化控制未來電機(jī)將成為智能系統(tǒng)的一部分,集成更多傳感和通信功能:內(nèi)置傳感器:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、振動(dòng)、電流等參數(shù)邊緣計(jì)算:電機(jī)控制器具備數(shù)據(jù)處理能力數(shù)字孿生:虛擬模型預(yù)測(cè)性能和故障自學(xué)習(xí)算法:自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)綠色環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展無稀土永磁電機(jī):降低對(duì)稀土資源依賴超高效率電機(jī):IE5及以上能效等級(jí)再生材料應(yīng)用:降低制造環(huán)境影響常見問題答疑電機(jī)選型常見誤區(qū)問:是否應(yīng)該選擇功率略大的電機(jī)以備將來負(fù)載增加?答:不建議過度選擇電機(jī)功率。電機(jī)在低負(fù)載下運(yùn)行效率降低,功率因數(shù)變差。一般電機(jī)最高效率點(diǎn)在75%-95%額定負(fù)載,建議選擇與實(shí)際負(fù)載相匹配的電機(jī)。控制電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)問:變頻器與電機(jī)之間

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