第2章电动机的基本控制电路F.docx
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第2章电动机的基本控制电路F
第2章电动机的基本控制电路
电气控制线路的作用是实现对电力拖动系统的起动、制动和调速等运行性能的控制，满足生产工艺要求，实现生产加工自动化。
各种机械设备的加工对象和加工工艺要求不同，电气控制线路就不同。
有比较简单的，也有相当复杂的。
但任何复杂的电气控制线路。
都是由一些比较简单的基本控制环节按需要组合而成。
本章就是介绍电动机的基本控制电路和保护电路。
2．1电气原理图
电力拖动自动控制线路主要由各种低压电器元件和电动机组成。
工作在直流1200V、交流1000V及以下的电路中，用来对电能的产生、输送、分配和使用起开关、控制、保护和调节作用的电气设备称之为低压电器。
低压电器通常分为低压控制电器和低压配电电器两类。
常用的低压控制电器分为12大类：
刀开关和转换开关H，熔断器R，自动开关D，控制器K，接触器C，起动器Q，继电器J，主令电器，电阻器Z，变阻器B，调整器T，电磁铁M。
电动机主要有直流电动机和三相异步电动机。
电力拖动系统中常用电动机有他励或并励直流电动机、三相鼠笼式异步电动机和三相线绕式异步电动机。
其中三相鼠笼式异步电动机使用最普遍。
1电气符号
为了设计、研究分析、安装维修时阅读方便，在绘制电气图时，必须使用国家统一规定的电气符号。
电气符号包括图形符号、文字符号和回路标号。
电气符号的国家标准有两种，一种称为旧国标，它是从电气元件的结构出发设计的，如GB312-64，GB314-64、GB315-64。
一种称为新国标，它是从电气元件的功能出发设计的，如GB4728-85，GB4729-89。
我国规定从1990年1月1日开始，统一使用与国际电工委员会（IEC）标准接轨的新国标。
最常用的低压电器元件有交流接触器、按钮、熔断器、热继电器等。
它们的结构图与电气符号如下所示。
交流接触器的结构如图2.1所示，其文字符号为KM，图形符号见图2.2。
在图2.1中，1为静铁心，2为线圈，3为动铁心，4为动断辅助触点，5为动合辅助触点。
在电气传动图中，接触器用图2.2所示的图形符号来表示，其中包括吸引线圈（a）、动合主触点（b）、动断主触点（c）、动合辅助触点（d）和动断辅助触点（e）。
图2.1交流接触器结构图
图2.2交流接触器的图形符号
图2.3为控制按钮的示意图与图形符号，其文字符号为SB，生产厂家的产品一般为复合按钮。
图2.4为熔断器的示意图，其文字符号为FU。
图2.5为热继电器结构图，其文字符号为FR。
在图2.5中，3为串接入电动机主电路中的发热元件；2为双金属片，双金属片是由两种膨胀系数不同的金属片碾压而成，其一端是固定的，一端是自由端，过度发热便向左弯，推动触点动作；11与12为接在控制电路中的动断触点（其中11是动触点，12是静触点）；5为手动调节旋钮，用于整定动作电流；4为手动复位按钮。
一个热继电器内一般有两个（如JRO-40型）或三个（如JR15-20、JR16-20型）加热元件通过双金属片和杠杆系统（图2.2中6所示）作用在同一动断触点上。
图2.3控制按钮
（a）结构图（b）图形符号
图2.4熔断器
（a）插入式（b）管式（c）螺旋式
图2.5热继电器结构图
2电气图
机床电气控制图主要分为电气原理图、电气设备安装图、电气接线图等。
在这里主要介绍电气原理图。
1）电气原理图
将各种电气元件用它们的图形符号和文字符号表示，按动作顺序绘制的表明电气控制的图纸称之为电气原理图。
电气原理图表示电气控制的工作原理以及各电气元件的作用和相互关系，而不考虑各电气元件实际安装的位置和实际连线情况。
电气原理图的绘制一般按以下规则进行：
（1）电气控制线路图分为主电路和控制电路。
一般主电路图在左侧，控制电路图在右侧。
主电路和控制电路可以绘制在一张图纸上，也可以分开画。
（2）同一个电气元件的各个部件用同一文字符号表示，可以画在图中的不同位置，或者不同的图纸上。
（3）手柄、开关、触点等的位置和状态，均按没有通电、没有施加外力等原始状态画出。
（4）各个电气元件的连接导线要编号，编号用国家标准的回路标号表示。
控制电路
主电路
普通卧式车床主电动机起动控制的电气原理图如图2.6所示。
图2.6电动机起动控制电气原理图
2）电气设备安装图
表示各种电气设备在机床和电气控制柜的实际安装位置的图纸称之为电气设备安装图。
各个电气元件的安装位置是由机床的结构和工作要求决定的，例如，电动机要和被拖动的机械部件在一起，行程开关应放在要取得信号的地方，按钮开关应放在操作方便的地方，其他的电气元件一般都放在机床床身预留的电气控制柜中。
3）电气接线图
表示各个电气设备之间实际接线情况的图纸称之为电气接线图。
绘制电气接线图时应把各个电气元件的各个部分画在一起，如交流接触器的线圈、主触点、辅助触点都画在一起；元件的连接顺序、元件的文字符号和回路标号都必须与电气原理图一致。
电气设备安装图和电气接线图是用于安装接线、现场施工和检查维修的。
为了便于读者有规律地阅读电气原理图或者拟定简单的电气原理图，下面介绍实际使用的某卧式车床电气原理线路图作为示例,如图2.7所示。
（1）电气原理图中，主电路、控制电路、照明电路和信号电路应分开绘制。
电源电路绘成水平线，电源相序L1、L2、L3由上而下排列，中性线N的保护地线PE放在相线下面；主电路应垂直电源电路绘出；控制电路、照明电路和信号电路应垂直绘在上下两水平线间。
（2）电器的线圈、照明灯、指示灯等耗能元件直接与下水平电源线联接。
而控制触点应联接在上水平电源线与耗能元件之间。
（3）为了便于读图和检修线路，原理图中分为若干个图区，上方图区配以用中文说明每个部分功能，下方图区用阿拉伯数字编号，以帮助读图。
（4）每个接触器线圈的文字符号下面有两条垂直线分成左、中、右三栏，栏中写有受其控制而动作的触点所处图区数字。
左栏为主触点所处图区号，中栏为辅助动合触点所处图区号，右栏为辅助动断触点所得图区号。
每个继电器线圈的文字符号下面有一条垂直线分成左、右两栏，栏中写有受其控制而动作的触点所处图区数字，左栏为动合触点所处图区号，右栏为动汤触点所处图区号。
对于备用触点用记号“ⅹ”标出。
图2.7电气原理图示例
2．2三相异步电动机的起动控制线路
三相异步电动机有直接起动和降压起动两种方式。
前面学习过的内容中已经讲解了如何
决定电动机的起动方式，这里只介绍电气控制线路如何满足各种起动要求。
2．2．1三相鼠笼式异步电动机直接起动控制电路
1．直接起动控制线路和保护装置
1）起动控制电路分析
图2.8是鼠笼式异步电动机直接起动控制线路，只要在图2.1所示线路图中加上一些保护电器便成了生产机械中常用的“不反转的鼠笼式异步电动机控制线路”，它是C6140普通车床主传动电动机的控制线路。
它包括一个接触器KM、一个热继电器FR和两个按钮（起动按钮1SB和停止按钮2SB）。
图2.8中，QG是三刀开关，FU是熔断器,FR是热继电器。
接触器的吸引线圈和一个动合辅助触点KM接在控制电路中，而它的三个动合主触头KM则接在主电路中。
过载保护的发热元件
自锁触点
停止按钮
启动按钮
图2.8电动机直接起动控制电路
其操作过程如下：
合上开关QG（作起动准备），
按下起动按钮1SB，接触器KM的吸引线圈得电，衔铁吸上，其接在主电路中的三个主触点KM闭合，电动机接入三相交流电源便转起来，与此同时，接触器KM的辅助触头KM也闭合，将起动按钮1SB短接，这样当松开1SB时接触器仍旧有电，像这样利用电器自己的触点保持自己的线圈得电，从而保证长期工作的线路环节称为自锁环节。
这种触点称为自锁触点。
按下停止按钮2SB，KM的线圈断电，其主触头打开，电动机便停转，同时KM的辅助触头也打开，故松手后，2SB虽仍闭合，但KM的线圈不能继续得电，从而保证了电动机不会自行起动，若使电动机再次工作，可再按1SB。
为了免除电动机、控制电器等电气设备和整个生产机械、操作者受到不正常工作状态的有害影响，使工作更为可靠，在自动控制线路中必须具有完成各种保护作用的保护装置。
2）保护装置
（1）短路保护装置：
短路保护的作用在于防止电动机突然流过短路电流而引起电动
机绕组、导线绝缘及机械上的严重损坏，或防止电源损坏。
此时，保护装置应立即可靠地使电动机与电源断开。
常用的短路保护元件有熔断器、过电流继电器、自动开关等。
熔断器一般是根据线路的工作电压和额定电流来选择的；对一般电路、直流电动机和
线绕式异步电动机的保护来说，熔断器是按它们的额定电流选择的。
但对于鼠笼式异步电动机，却不能这样选，因为，鼠笼式异步电动机直接启动时的起动电流为额定电流的（5~7）倍，按额定电流选择时，熔体将即刻熔断。
因此，为了保证所选的熔断器既能起到短路保护作用，又能躲过起动电流,一般按电动机额定电流的（1.5-2.5）倍来选择。
（2）过载保护装置：
所谓长期过载是指电动机带有比额定负载稍高一点（115%~125%）的负载长期运行，这样会使电动机等电气设备因发热而导致温度升高，甚至会超过设备所允许的温升而使电动机等电气设备的绝缘损坏。
所以必须给予保护。
长期过载的保护装置目前使用得最多的是热继电器FR。
在图2.8中，热继电器FR的发
热元件串在电动机的主回路中，而其触点则串在控制电路接触器线圈的回路中。
当电动机过载时，热继电器的热元件就发热，将其在控制电路内的动断触点断开，接触器线圈失电，触点断开，电动机停转。
在重复短期工作制的情况下，由于热继电器和电动机的特性很难一致，所以不采用热继电器,而选用过流继电器作过载保护。
（3）零压（或欠压）保护：
零压或欠压保护的作用在于防止因电源电压消失或降低而可能
发生的不容许故障。
如在车间内常因某种原因使变电所的开关跳闸，暂时停止供电，对于手控电器，此时若未拉开刀开关或转换开关，当电源重新供电时，电动机就会自行启动，将造成设备或人身事故。
但在图2.7所示的自动控制线路中，若电源暂停供电或电压降低时，接触器线圈就失电，触点断开，电动机脱离电源而得到保护，过后当电源电压恢复时，不重按启动按钮，电动机就不会自动启动，这种保护称为零压（或欠压）保护。
图2.8中是直接利用线路接触器作零压保护的。
但当控制线路中采用主令控制器和转换开关时，必须要加零压保护装置，如零压继电器，否则线路无零压保护性能。
2正反转控制电路
1）电动机正反转控制电路
许多机械设备的机械运动部件，根据工艺要求经常需要进行正反方向两种运动，如在
车床上车削螺纹，采用电力拖动时可借电动机的正反转来实现这两种运动。
从异步电动机的工作原理可知，将电动机的供电三相交流电源的相序倒接，就可以控制异步电动机做反向运动。
为了更换相序，需要使用两个接触器来完成，图2.9为电动机正反转控制线路。
图2.9中，图2.9（a）所示的控制线路是这样实现正反转工作的：
按下正转起动按钮FSB,
正转接触器FKM得电并自锁，电动机正转。
当需要电动机反转时，先按停止按钮SB，FKM失电，电动机停止。
再按下反转起动按钮RSB，反转接触器RKM得电并自锁，电动机通入反相序的三相电源而反转。
但图2.9（a）线路有下述严重不足，若同时按下正向按钮FSB和反向按钮RSB，可以使FKM，RKM接触器同时接通，会造成图中虚线所示的电源相间短路的严重事故。
为避免产生上述事故，必须要加以保护，使其中任一接触器工作时，另一接触器即失效不能工作，为此采用图（b）所示的电气互锁，也就是用一个接触器的动断触点串在另一个接触器的线圈回路。
在这里应该注意的是，首先要清楚，交流接触器的触点是先断后合型的。
也就是说，
当接触器线圈得电吸合，动断触点先断开，动合触点后闭合；当接触器线圈失电断开，动合触点先断开，动断触点后闭合。
尽管这里动作的先与后在时间上是非常之短，但毕竟还是有先有后的。
同学们可以在作实验时仔细观察，或者用起子将接触器的动铁心闭合，就可以看清楚触点的动作顺序。
当按下正转起动按钮FSB后，正转接触器FKM动作，使电动机正转。
FKM的一个动
断触点串联在接触器RKM线圈的控制回路内，它此时先断开，切断了接触器RKM线圈的回路。
FKM的一个动合触点后闭合实现自锁。
若再按RSB按钮，接触器RKM受FKM的动断触点互锁不能动作，这样就防止了电源短路的事故。
当需要电动机反转时，按下图2..9（b）中的停止按钮SB，正转接触器FKM失电，电动机停止，FKM的动断触点恢复，为反转作准备。
再按下反转起动按钮RSB，反转接触器RKM得电，电动机反转。
为进一步防止接触器通断时的飞弧短路，我们利用先断后合型的复式按钮作为机械互
锁。
在实际工作中采用既有电气互锁，又有机械互锁的双重互锁控制线路，如图2.9（c）所示，按下FSB，在按动按钮的过程中，FSB的动断触点先断开RKM的线圈回路，FSB的动合触点后闭合，使FKM线圈得电并自锁，电动机正转。
反转工作情况亦然。
此线路是一个较完整的正反转自动控制线路，但该线路在电动机正转工作时，可不经过停止，直接使电动机反转工作，这将对电动机和机床的机械部件造成比较大的冲击，使用时应引起注意。
反转主触点触点
正转主触点
自锁触点
反向按钮
正向按钮
停止按钮
图2.9电动机正反转控制线路
（a）原理线路（b）具有电气连锁的线路（C）具有机械连锁电气连锁的线路
2）正反转自动循环控制线路
机床工作部件的往返自动循环，也可以用控制拖动电动机的正反转来实现。
例如万能铣床、龙门刨床的工作台的自动循环等。
万能铣床的工作台应根据工作台的行程位置，自动地实现起动、停止、反向的控制，这就需要按行程进行自动控制，为了实现这种控制，就要有测量位移的元件——行程开关。
（1）行程开关。
行程开关有机械式和电子式两种，机械式又分为按钮式、滑轮式等，电子式有晶体管接近开关等。
通常把放在终端位置用以限制生产机械极限行程的行程开关称为终端开关或限位开关。
（2）自动循环控制线路。
根据工艺的要求，万能铣床工作台的进给传动分为右传动和左传动两种循环工作制，如图2.10所示。
工作台自动循环的控制线路如图2.11所示。
图2.10工作台的工作循环图
（a）右循环（b）左循环
右循环——工作台以进刀工作速度向右，而后自动快速退回原处。
左循环——工作台以进刀工作速度向左，而后自动快速退回原处。
线
路
号
左
循
环
手
动
右循环
1
-
+
+
2
+
-
-
3
+
+
-
4
-
-
+
（b）
图2.11工作台自动循环的控制线路
a）控制线路（b）万能转换开关SO触点分合顺序表
由万能转换开关SO来选择两种循环，当手柄处于中间位置时则为手动控制，不能自动往返。
转换开关SO各触点的分合顺序如图2.11（b）所示。
在图2.11（a）中，SO虚线的条数表示转换开关的位置数，黑点的个数表示转换开关的触点数，一般一层一个触点，这个万能转换开关是3个位置6个触点（6层）。
怎样读懂图中转换开关SO触点的开合情况呢？
当SO置于某个位置时，这个位置下所有黑点所对应的线路号触点全部接通，其余的触点全部断开。
例如，SO在“左”位置时，左边这条虚线上有2个黑点，其对应的2号、3号线路接通，其他线路不通。
工作台由两个电动机传动（主电路未示于线路中），分别决定进刀速度与快速返回速度。
图2.11（a）所示控制线路的工作原理如下：
若SO的手柄位于右循环时，线路号1与4的触点闭合。
当按1SB时，接触器1KMF动作，相应的进刀电动机起动，工作台以进刀工作速度向右移动，当工作台上的挡块撞及行程开关1ST时，1KMF失电，由于1ST的动合触点闭合，接通接触器2KMR，因此，相应的快速移动电动机起动，工作台快速返回原处，在撞及2ST时使2KMR失电，工作台自动停止。
左循环的工作情况与上相同。
手动控制往返时，只需将转换开关手柄置于中间位置，按压相应的按钮，即得相应方
向与速度的运动，按停止按钮时，工作台立即停止。
行程开关3ST、4ST用以限位保护，避免工作台超越最大允许的位置。
它也是按行程控
制的。
2SB、4SB为快速向右、向左按钮。
3点动控制电路
1）点动控制
电动机除长期工作状态外，生产机械还有一种调整工作状态，如摇臂钻床中摇臂的上下移动，镗床作加工准备时的对刀，在这一工作状态中对电动机的控制要求是一点一动，即按一次按钮动一下，连续按则连续动，不按则不动，这种动作常称为“点动”图2.12（a）所示是实现点动的最简单的控制线路，在此，只要不用自锁回路便可得到点动的动作。
2）既能起动又能点动的控制电路
在实际工作中，有的机床既要求点动，又要求能连续长期工作。
图2.12（b）,（c）,（d）所示是能同时满足上述两个要求的线路。
图2.12（b）采用了选择开关SA来选择工作状态，SA打开时为点动工作，SA闭合时为长期工作。
但这个线路在操作时多了一个动作，工作人员使用时不太方便。
图2.12（c）中采用两个按钮分别控制，当按动按钮1SB时，接触器KM得电，KM的动合触点闭合，与复式按钮2SB的动断触点串连组成自锁电路，电动机长期工作。
而按下点动按钮2SB时，接触器KM得电，电动机工作，同时，KM的动合触点闭合；但是，当松开按钮2SB时，接触器KM失电，而接触器触点和复式按钮都是先断后合型的，在松开按钮的过程中，其动合触点先断开，动断触点后闭合，尽管这个先、后动作的时间很短，只是两对触点之间那点距离的弹簧恢复时间，毕竟还是有先后顺序的。
因此，当接触器失电时，其动合触点先断开；按钮2SB的动合触点也是先断开，动断触点后闭合；等2SB的动断触点闭合时，接触器的动合触点已经断开，因而没有自锁功能，电动机停止运行。
图2.12（d）采用中间继电器K进行控制。
按1SB时，K接通并自锁，K的动合触点动作使接触器KM得电并自锁，电动机长期工作。
若按2SB时，接触器KM得电，但由于没有接通K，所以不能将KM自锁，电动机仅能点动工作，且当电动机已经起动长期工作后，再按点动按钮2SB，2SB不能起作用。
图2.12（d）所示的线路多使用了一个继电器，成本高一些。
实际多采用2.12（c）,（d）的线路,如国产立车C534J1的工作台就采用（d）控制线路。
图2.12电动机点动控制线路
（a）点动控制线路（b）（c）（d）既能点动又能起动的控制线路
4．多点控制
对于大型机床，为了操作的方便，常常要求在两个或两个以上的地点都能进行操作。
实现这种要求的线路如图2.13所示。
即在各操作地点各安装一套按钮，其接线的组成原则是各起动按钮的动合触点并联，而各停止按钮的动断触点串联。
在图2.13的两地两点控制线路中，只要按下按钮1SB或者2SB，KM都可以得电，电动机都能够起动；按下3SB或者4SB，KM失电，电动机都能够停止。
多点控制线路的接线如此类推。
图2.13两地控制的线路
5多台电动机的顺序控制电路
目前,机床上已广泛采用多台电动机拖动，即在一台机床上采用几台、甚至十几台电动机拖动各个部件，而机床的各个运动部件之间是相互联系的，为实现复杂的工艺要求和保证可靠地工作，各部件常常需要按一定的顺序工作或连锁工作。
使用机械方法来完成这项工作将使机构异常复杂，有时尚不易实现，而采用继电器-接触器控制系统却极为简单。
1）两台电动机顺序起动控制
机床主传动与润滑油泵传动间就是一种最常见的顺序控制。
例如，当车床主轴工作时，首先要求在齿轮箱内有充分的润滑油；龙门刨床工作台移动时，导轨内也必须先有足够的润滑油。
因此要求主传动电动机应该在润滑油泵工作后才准启动，这样两台电动机的顺序起动采用图2.14（a）,（b）的控制线路。
它们均能实现电动机1M先起动，2M才能起动；但是1M、2M是同时停止的。
图2.14（a）中的辅助触点1KM既起自锁，又起连锁的作用；而2.14（b）中的一个1KM起自锁作用，另一个1KM起连锁作用。
在图2.14（a）中，按下起动按钮1SB，接触器1KM得电，电动机1M起动；1KM的动合触点闭合，一方面自锁，另一方面，为电动机2M的起动作准备，这种作用称之为连锁。
当需要2M工作时，只需按下按钮2SB，2KM得电并自锁，2M工作运行。
当电动机1M没有工作时，无论怎么按2SB，2KM都不能得电，2M都不会起动，这就是顺序起动控制。
图2.14（b）的电路增加了电动机2M可以单独停止的环节。
2）两台电动机顺序起动顺序停止的控制
有的机床中，不仅要求进给装置只有在主轴旋转后方能工作（避免刀具损坏），而且要求停车时进给装置先停止，而后主轴才能停止。
这种两台电动机顺序起动顺序停止的控制线路如图2.14（c）所示。
它能实现电动机1M先起动，2M才能起动；电动机2M先停止，1M才能停止。
顺序起动时，按下接触1SB，1KM得电，电动机1M工作，1KM的一个动合触点自锁，另一个动合触点连锁；到需要第二台电动机工作时，只要按下按钮2SB，2KM得电并自锁，2M起动工作，与控制第一台电动机停止的按钮3SB并联的2KM的另一个动合触点闭合，为两台电动机的顺序停止作准备。
顺序停止时，因为3SB已经被闭合的2KM触点锁住，先按3SB不起作用；只有先按下按钮4SB，2KM失电，2M停止；其2个动合触点断开，解除了对停止按钮3SB的锁定，在需要第一台电动机停止时，再按下3SB，1KM失电，1M停止运行。
图2.14两台电动机的顺序控制线路
（a）顺序起动,同时停止（b）顺序起动,2M可单独停止（c）顺序起动与停止
2．2.2三相鼠笼式异步电动机降压起动控制电路
为限制较大异步电动机的起动电流对电网的影响，较大容量的鼠笼式异步电动机一般都采用降压起动的方式起动。
机床上常用的方法有Y-△降压起动和定子串电阻降压起动。
1电动机定子串电阻降压起动的自动控制线路
在电动机定子端串联电阻实行降压起动，但电动机起动后，应该将起动电阻切除，使电动机处于全压运行。
图2.15所示线路为实现上述要求的按时间原则控制的一种自动控制线路。
按时间原则控制是由反映时间长短的时间继电器配合交流接触器实现的。
在图2.15中，按下起动按钮1SB，接触器线圈1KM立即动作，于是在电动机M的定子中串入电阻Rst降压起动，使起动电流下降；与此同时，1KM的一个动合辅助触点自锁工作，另一个接通时间继电器KT的线圈，时间继电器开始延时，延时时间整定为5-7秒，待电动机起动完了，延时结束，KT的延时闭合动合触点闭合使接触器2KM得电，2KM的动合主触点将起动电阻Rst短接，电动机全电压工作，这时2KM的动断辅助触点断开1KM线圈的回路，另一个动合触点使其自锁。
1KM失电后，时间继电器KT线圈也失电，也就是说，电动机在正常工作时，只有2KM吸合，既工作可靠，又节约电能。
图2.15电动机定子串电阻降压起动控制线路
2电动机Y-△降压起动的自动控制线路
如果电动机定子绕组在正常工作时是作三角形连接的（即定子每相绕组额定电压等于电源线电压380V），那么在起动时可先把定子绕组接成星形，再接入电源起动，此时每相绕组承受的是相电压220V，从而实现了降压起动，等到电动机达到运行的转速时，再把定子绕组变换成三角形接法，使电动机绕组加上全电压运行。
容量较大的鼠笼式异步电动机定子绕组都是作三角形连接的.图2.16所示线路为实现上述要求的按时间控制的一种自动控制线路。
如MQ1350外圆磨床之砂轮电动机M就是用的这种控制线路。
在图2.16中，按下起动按钮1SB，KT、1KM、3KM同时得电。
工作过程是：
1SB接通后，时间继电器KT得电，KT的延时断开的动合触点瞬时
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