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电机入门.ppt

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电机与变压器1电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用一、电机一、电机现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源，在电现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源，在电能的生产、输送和使用等方面，电机起着重要的作能的生产、输送和使用等方面，电机起着重要的作用用电机：

是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传电机：

是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。

递的一种电磁装置。

发电机：

机械能电能，主要用于生产电能的发发电机：

机械能电能，主要用于生产电能的发电厂；在火电厂、水电厂、核电厂中，水轮机、电厂；在火电厂、水电厂、核电厂中，水轮机、汽轮机带动发电机，把燃料的热能、水流的机械能汽轮机带动发电机，把燃料的热能、水流的机械能、原子核裂变的原子能电能。

、原子核裂变的原子能电能。

1.发电环节发电机发电环节发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机新能源技术新能源技术风力发电波浪发电波浪能电站外景波浪能电站外景波浪能电站内景波浪能电站内景2.2.输配电环节变压器输配电环节变压器输配电环节变压器输配电环节变压器20kV/500kV（220kV）500kV（220kV）/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/380V为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的户，需要将发电机输出的20kV左右的电压升高。

在我左右的电压升高。

在我国，一般升高到国，一般升高到220kV或或500kV。

为了输送一定大小的。

为了输送一定大小的功率、采用高电压。

功率、采用高电压。

连接发电机与电网的升压变压器连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的连接发电机的封闭母线封闭母线与电网相连与电网相连的高压出线端的高压出线端3.用电环节电动机用电环节电动机11）各行业广泛使用电动机）各行业广泛使用电动机22）在高新技术领域的新应用）在高新技术领域的新应用信息技术（雷达驱动）信息技术（雷达驱动）航天航空航海航天航空航海生物医学工程（多种医疗设备）生物医学工程（多种医疗设备）2电机的分类电机的分类控制电机自动控制系统的控制元件控制电机自动控制系统的控制元件从能量传递、转换的功能及用途分从能量传递、转换的功能及用途分发电机将机械能转换为电能发电机将机械能转换为电能电动机将电能转换为机械能电动机将电能转换为机械能变压器改变交流电压，也改变相数变压器改变交流电压，也改变相数、阻抗及相位、阻抗及相位按照电机的结构特点及电源性质分按照电机的结构特点及电源性质分变压器静止设备变压器静止设备旋转电机旋转电机直流电机直流电机交流异步电机交流异步电机交流同步电机交流同步电机电源为直流电电源为直流电转速恒为同步转速转速恒为同步转速转速不为同步转速转速不为同步转速异步电机一、异步电机的主要特点一、异步电机的主要特点1、三相异步电动机、三相异步电动机优点：

结构简单，制造、使用、维护方便，运行可优点：

结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。

（同功率、同转速的直流电动机靠性高，重量轻，成本低。

（同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一）相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一）不足：

它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的不足：

它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。

此外机床等），不如直流电动机经济、方便。

此外,异步电动机异步电动机运行时运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。

因此，在大功率、低转速场合（如拖动统的功率因数变坏。

因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。

球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。

广泛地应用在工业设备上，如机床、矿山机械、中广泛地应用在工业设备上，如机床、矿山机械、中央空调等央空调等2、单相异步电动机、单相异步电动机优点：

有结构简单优点：

有结构简单,成本低廉成本低廉,维修方便等特点维修方便等特点不足：

与同容量的三相异步电动机相比，单相异步电不足：

与同容量的三相异步电动机相比，单相异步电动机的体积较大、运行性能较差、功率因数及过载能力都较低动机的体积较大、运行性能较差、功率因数及过载能力都较低、效率较低，一般只制成小型和微型系列的电机（微型，几、效率较低，一般只制成小型和微型系列的电机（微型，几瓦瓦750瓦；小型：

瓦；小型：

550瓦瓦3700瓦）。

瓦）。

广泛地应用家用电器上，风扇、冰箱、油烟机、洗衣广泛地应用家用电器上，风扇、冰箱、油烟机、洗衣机、吸尘器、自动控制、医疗机械、小型鼓风机等。

机、吸尘器、自动控制、医疗机械、小型鼓风机等。

二、异步电机的结构与基本工作原理二、异步电机的结构与基本工作原理1、结构和分类、结构和分类下图是它主要部件的拆分图。

下图是它主要部件的拆分图。

右图是一台三相鼠笼型右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。

异步电动机的外形图。

按定子绕组供电电源相数按定子绕组供电电源相数按转子绕组的结构按转子绕组的结构单相异步电动机单相异步电动机三相异步电动机三相异步电动机两相异步电动机两相异步电动机异步电机异步电机鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机绕线式异步电动机绕线式异步电动机结构简单，坚固，成本低结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式，运行性能不如绕线式通过外串电阻改善电机通过外串电阻改善电机的起动、调速等性能的起动、调速等性能三相异步电动机的转子部分结构类型主要有两三相异步电动机的转子部分结构类型主要有两种：

鼠笼型和绕线型。

种：

鼠笼型和绕线型。

鼠笼型转子绕组由插入每个转子槽中的导条和鼠笼型转子绕组由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成，如果去掉转子铁心，剩余的两侧的短路端环构成，如果去掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼子。

转子绕组就像一个松鼠笼子。

鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图这种电机的特点是：

可以在转子绕组中串入附加电这种电机的特点是：

可以在转子绕组中串入附加电阻，来改善电机的起动性能和调速性能。

阻，来改善电机的起动性能和调速性能。

图示为三相绕线型转子结构。

绕组的三个出线端子图示为三相绕线型转子结构。

绕组的三个出线端子接到固定在转轴上的三铜环上，通过电刷引出。

接到固定在转轴上的三铜环上，通过电刷引出。

2、基本工作原理、基本工作原理

（1）旋转磁场）旋转磁场AYCBZ（）电流出电流出（）电流入电流入X240cos120coscostIitIitIimCmBmAiAiBiCit00iAiBiCit00120120240240360360AXBYCZAXBYCZAXBYCZAXBYCZ旋转方向：

旋转方向：

CBA四极旋转磁场四极旋转磁场iAiBiCit00120120240240360360AAXBCYZXBYCZAAXBCYZXBYCZAAXBCYZXBYCZAAXBCYZXBYCZ电流变化一次电流变化一次，旋转磁场仅，旋转磁场仅转过转过l2转转

（2）工作原理）工作原理定子接三相电源上，绕组中流过三相对称电流，气隙中建立基波定子接三相电源上，绕组中流过三相对称电流，气隙中建立基波旋转磁动势，产生基波旋转磁场。

旋转磁动势，产生基波旋转磁场。

NSn1eiffne方向用方向用右手定则右手定则确定确定f方向用方向用左手定则左手定则确定确定1.转子跟着磁铁转两者转动方向一致转子跟着磁铁转两者转动方向一致结论：

结论：

2.转子比磁场转得慢转子比磁场转得慢1nn思考思考：

n能否等于能否等于n1？

何谓异步？

电动机的转向由谁决定？

由于异步电动机的转速由于异步电动机的转速n总不等于同步速总不等于同步速n1，因此在描述异步电机转速时通常采用，因此在描述异步电机转速时通常采用转差率转差率的的概念。

概念。

转差率的概念定义如下：

把同步速转差率的概念定义如下：

把同步速n1和电和电机转子转速机转子转速n之差与同步速之差与同步速n1的比值称为转差率，的比值称为转差率，用用s表示：

表示：

11nnns对称三相绕组通入对称三相电流旋转磁场（磁场能量）磁场切割转子绕组转子绕组中产生e（感应电动势）和i（感应电流）转子绕组在磁场中受到电磁力的作用转子旋转起来机械负载旋转起来三相交流电能三相交流电能状态状态电动机电动机发电机发电机电磁制动电磁制动n与与s关系关系nnnn110s10snnn11s0s0nn与与nn11反向，反向，n1n1E1的的性质性质反电动势反电动势电源电动势电源电动势反电动势反电动势T的的性质性质电磁驱动电磁驱动力矩力矩电磁阻力矩电磁阻力矩电磁阻力矩电磁阻力矩能量能量转换转换电能机电能机械能械能原动机机械能原动机机械能电能电能电能电能+机械能内机械能内部损耗（短路）部损耗（短路）三、三、异步电动机的铭牌数据异步电动机的铭牌数据铭牌：

型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等铭牌：

型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等额定值额定值:

正常运行时的主要数据指标。

绕组联结方式：

接法或者接法或者Y接法。

接法。

1、型号、型号Y100L12机座中心高铁心长度代号铁心长度代号机座长度代号机座长度代号异步电动机异步电动机极数2、额定值、额定值额定功率额定功率PN：

（kW）,额定运行时，电动机的输出功率；额定运行时，电动机的输出功率；额定电压额定电压UN：

（V），额定运行时，规定加在定子绕组上，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；的线电压；额定电流额定电流IN：

（A）,额定运行时，规定加在定子绕组上的线额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；电流；额定频率额定频率f1：

（Hz），规定的电源频率，规定的电源频率（50Hz）；额定转速额定转速n：

（r/min）,额定运行时，电动机的转子转速；额定运行时，电动机的转子转速；额定效率、额定功率因数额定效率、额定功率因数等等cos3cos3NNNNNIUIUP四、性能分析四、性能分析1U1I1R1jXmR1E2IjX2R20ImjX2E=21Rss021222221011111）（）（IIIXjsRIEEEjXRIEjRRIEUmm12E1E0I11RI11XIj1U1I2I2IsRI2222XIj1E2F2F1F0FB基本方程式、等效电路和相量图基本方程式、等效电路和相量图功率关系：

功率关系：

电源输入的电功率为：

1111cos3IUP2222222coscos3IEmIEPM12113RIpCu定子铜损耗为定子铜损耗为:

mFeFeRIpp2013铁耗为：

铁耗为：

FeCuMppPP11电磁功率为：

电磁功率为：

sRI2223转子绕组中的铜损耗为：

转子绕组中的铜损耗为：

22223RIpCuMsP电机转轴上总的机械功率：

电机转轴上总的机械功率：

MCuMmPsRssIpPP）1（132222admmppPP2admFeCuppppPP112输出功率为：

输出功率为：

）1（:

2ssPpPmCuM转矩关系：

转矩关系：

00pppTadmmPTmPT电磁转矩：

电磁转矩：

602nPm602）1（1nsPm1MP02TTT转矩平衡式：

转矩平衡式：

机械特性：

2212211221）（6023XXsRRfsRUT2212211221）（23XXsRRfsRpU五、五、异步电动机的起动与调速异步电动机的起动与调速1、起动、起动

（1）直接启动）直接启动直接起动是利用开关或者接触器将电动机直接接到额定电压直接起动是利用开关或者接触器将电动机直接接到额定电压上的起动方式上的起动方式优点：

起动简单。

优点：

起动简单。

缺点：

起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正缺点：

起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。

常工作。

适用范围：

电动机容量在适用范围：

电动机容量在7.5kW以下，并且小于供电变以下，并且小于供电变压器容量的压器容量的20%

（2）降压起动）降压起动Y-起动起动起动电流关系:

31SSII起动转矩关系:

31SSTT自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动12NNUUIINSSABCKT0M3熔断器2122NNUUTTNSS12NNIISS212NNIISS广泛用于启动容量较大的广泛用于启动容量较大的鼠笼异步电动机鼠笼异步电动机N1N2SISIUNU启动启动运行运行深槽鼠笼异步电动机深槽鼠笼异步电动机“集肤效集肤效应”应”转子槽漏抗较大，功率因数稍低，最大转矩转子槽漏抗较大，功率因数稍低，最大转矩倍数稍小。

倍数稍小。

高度是宽度的高度是宽度的1012倍倍Ohi电动机刚启动时，电动机刚启动时，s=1，转子电流频率转子电流频率f2=sf1=f1较高较高，转子漏抗，转子漏抗X2较大，转子电较大，转子电流大小取决于转子漏抗流大小取决于转子漏抗X2。

电动机正常运行时，电动机正常运行时，s很小，很小，转子电流频率转子电流频率f2=sf1也很低，转也很低，转子漏抗子漏抗X2s=sX2很小，转子电流很小，转子电流主要由电阻决定。

主要由电阻决定。

双笼型异步电动机双笼型异步电动机启动时，转子电流频率较高，内笼电抗大，故电流小，电启动时，转子电流频率较高，内笼电抗大，故电流小，电流大部分流过上笼，集肤作用显著。

外笼电抗小，流过电流大部分流过上笼，集肤作用显著。

外笼电抗小，流过电流大，产生较大的起动转矩，在启动时起主要作用，有时流大，产生较大的起动转矩，在启动时起主要作用，有时上笼也称为启动笼。

上笼也称为启动笼。

起动结束，电动机进入正常运行，转子频率很小，两笼的起动结束，电动机进入正常运行，转子频率很小，两笼的电抗都很小，电流在两笼间的分配主要决定于电阻，此时电抗都很小，电流在两笼间的分配主要决定于电阻，此时电流主要流过电阻较小的内笼，内笼在运行时起主要作用电流主要流过电阻较小的内笼，内笼在运行时起主要作用面有时称为运行笼。

面有时称为运行笼。

双鼠笼式：

两套绕组，材料不同两套绕组，材料不同，截面也不同。

，截面也不同。

外笼：

启动笼，截面外笼：

启动笼，截面小，材料选用电阻系数大；小，材料选用电阻系数大；内笼：

工作笼，截面大内笼：

工作笼，截面大，电阻系数小。

，电阻系数小。

外笼外笼内笼内笼TOnn121绕线式三相异步电动机转子串电阻起动绕线式三相异步电动机转子串电阻起动K1K1K2K2K3K3RS1RS2RS3nTTLn1T10T2s0s0s1s21R2+RS1+RS2+RS3=RZ3R2+RS1+RS2=RZ2TmR2+RS1=RZ1R2abcdefghj2、调速、调速）1（60）1（11spfsnn改变定于绕组的极对数改变定于绕组的极对数p改变供电电源的频率改变供电电源的频率f1改变电动机的转差率改变电动机的转差率s变极调速变极调速变频调速变频调速异步发电机异步发电机41单机运行的异步发电机称为自励异步发电机。

这种自励异步发电机必须在定子绕组的端点上并接适当的电容器，利用电容来供给异步发电机的励磁电流从而使异步发电机建立起电压，并在气隙中产生旋转磁场。

只要异步发电机的转子有剩磁存在，当原动机带动转子旋转后，转子的剩磁磁通就会切割定子绕组，并在定子绕组中感应出剩磁电势。

通过定子绕组产生的磁势和剩磁磁通方向相同，该电势又使流过电容器的电流增加，周而复始，导致电机中的磁通增大，从而使定子绕组中的电势不断增高，最终使发电机的空载电压达到稳定值。

自励异步发电机的基本电路1、自励异步发电机、自励异步发电机2、并网异步发电机、并网异步发电机42异步发电机接入电网极为简单，只要将转子拖到尽可能接近同步转速，并且转向和定子磁场旋转方向一致即可并入电网。

也就是先把旋转的异步电机的定子绕组并联在电网上，然后再把转速n调到异步机的同步转速以上，便可向电网输出电压、频率与电网完全一致的电力。

定子绕组的电势和频率取决于电网的电压和频率，并在异步发电机接入电网时自动的建立起来。

必须特别注意，由于发电机从它所联接的电网获得励磁，所以，异步发电机输向电网的电流频率和它自身的转差率无关。

并网运行时，需从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场。

异步发电机并网运行的优点优点是接入电网时不需要整步，运行中不会发生振荡，而这些却是同步发电机经常遇到的困难。

当发生短路时，除瞬时的短路电流外，不会有大的短路稳定电流，因为此时异步发电机将失去励磁。

增加转速，就增加输出给电网的电流、功率。

由于需从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场，这就恶化了电网的功率因数，使电网无功不足，影响了电压的稳定性。

因此，必须给电网并联适当的电容以补偿无功。

43Pa有功功率，kWQa无功功率，kVarPs视在功率，kVAQc电容器容量，kvar功率因数角并联电容补偿无功并联电容补偿无功2、并网异步发电机、并网异步发电机44发电机与电网不存在直接耦合，发电机发出的电压或频率跟随风力机的变化而变化，通过变流器整流逆变后接入电网。

优点优点：

结构简单，运行可靠，维护方便缺点缺点：

需要全功率变频器，容量较大全功率变流异步发电机全功率变流异步发电机全功率变流异步发电机全功率变流异步发电机2、并网异步发电机、并网异步发电机发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。

应选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容；绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦；风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机有较软的机械特性曲线，sm绝对值要大；并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动限流装置。

鼠笼异步发电机的运行特点：

同步电机同步电机一、同步电机的基本原理与结构一、同步电机的基本原理与结构1、工作原理、工作原理SNnIf同步电机一般在定子上放置电枢绕组同步电机一般在定子上放置电枢绕组,在在转子上装有磁极转子上装有磁极,磁极上套励磁绕组磁极上套励磁绕组,当当作为发电机运行时作为发电机运行时,励磁绕组中通入直流励磁绕组中通入直流电流电流,电机内部产生磁场电机内部产生磁场,由原动机拖动由原动机拖动电机的转子旋转电机的转子旋转,磁场与定子导体之间有磁场与定子导体之间有相对运动相对运动,在定子绕组中感应交流电动势。

在定子绕组中感应交流电动势。

交流电的频率为：

60pnf同步电机作为同步电动机运行时，必须在电机的定子绕组中通入同步电机作为同步电动机运行时，必须在电机的定子绕组中通入三相交流电，在电机里产生旋转磁场，转子的励磁绕组通入直流三相交流电，在电机里产生旋转磁场，转子的励磁绕组通入直流电后，转子好像是磁铁，于是旋转磁场带动转子转动。

转速为：

电后，转子好像是磁铁，于是旋转磁场带动转子转动。

转速为：

pfn602、两种基本型式、两种基本型式凸极式、隐极式凸极式、隐极式凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速旋转旋转3、结构、结构300MW300MW水氢冷发电机结构水氢冷发电机结构带阻尼绕组的凸极同步电机转子带阻尼绕组的凸极同步电机转子水轮发电机定子分段铁心水轮发电机定子分段铁心4、同步电机的励磁系统、同步电机的励磁系统（1111）励磁系统组成）励磁系统组成）励磁系统组成）励磁系统组成励磁功率单元：

励磁功率单元：

一部分用于向发电机的磁场绕组一部分用于向发电机的磁场绕组一部分用于向发电机的磁场绕组一部分用于向发电机的磁场绕组提供直提供直提供直提供直流电流流电流流电流流电流，以建立直流磁场。

，以建立直流磁场。

励磁控制部分：

用于在正常运行或发生事故时用于在正常运行或发生事故时用于在正常运行或发生事故时用于在正常运行或发生事故时调节励磁调节励磁调节励磁调节励磁电流电流电流电流，以满足运行的需要。

包括励磁调节器、强行励磁，以满足运行的需要。

包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等。

、强行减磁和自动灭磁等。

（22）励磁系统任务）励磁系统任务）励磁系统任务）励磁系统任务在正常情况下，供给发电机励磁电流，并根据发电机电在正常情况下，供给发电机励磁电流，并根据发电机电在正常情况下，供给发电机励磁电流，并根据发电机电在正常情况下，供给发电机励磁电流，并根据发电机电压、负荷及功率因数的变化调整发电机的励磁电流，以维压、负荷及功率因数的变化调整发电机的励磁电流，以维压、负荷及功率因数的变化调整发电机的励磁电流，以维压、负荷及功率因数的变化调整发电机的励磁电流，以维持发电机端电压为规定的水平。

持发电机端电压为规定的水平。

合理分配并列运行发电机间的无功负荷。

发电机电压急剧降低时，迅速加大励磁电流，以改善系发电机电压急剧降低时，迅速加大励磁电流，以改善系发电机电压急剧降低时，迅速加大励磁电流，以改善系发电机电压急剧降低时，迅速加大励磁电流，以改善系统的运行条件，提高系统的稳定性和可靠性。

统的运行条件，提高系统的稳定性和可靠性。

励励磁磁方方式式直流励磁机直流励磁机直流励磁机直流励磁机交流励磁机交流励磁机静止励磁方式静止励磁方式交流励磁机静止整流器励磁方交流励磁机静止整流器励磁方式（有刷）式（有刷）交流励磁机旋转整流器励磁方交流励磁机旋转整流器励磁方式（无刷）式（无刷）（33）励磁方式）励磁方式）励磁方式）励磁方式5、同步电机的铭牌参数、同步电机的铭牌参数额定容量额定容量SN或或额定功率额定功率PN指额定运行时电机输出的指额定运行时电机输出的视视在功率或有功功率在功率或有功功率额定电压额定电压UN指额定运行时三相定子绕组的线电压指额定运行时三相定子绕组的线电压额定电流额定电流IN指额定运行时定子的线电流指额定运行时定子的线电流额定功率因数额定功率因数指额定运行时输出电功率的功率因数指额定运行时输出电功率的功率因数额定效率额定效率指额定运行时的效率指额定运行时的效率额定频率额定频率fN指额定运行时电枢的频率指额定运行时电枢的频率额定转速额定转速nN指额定运行时电机的转速，即为同步转速指额定运行时电机的转速，即为同步转速额定励磁电压和励磁电流：

额定励磁电压和励磁电流：

定子绕组连接：

二、同步发电机的外特性和调节特性二、同步发电机的外特性和调节特性IU）（8.0cos1滞后：

0NI1cos2：

）（8.0cos3超前：

cosNU在同步转速下，保持励磁电流和负载功率因数为常值在同步转速下，保持励磁电流和负载功率因数为常值，测得同步发电机端电压，测得同步发电机端电压U随电枢电流随电枢电流I变化的关变化的关系曲线系曲线U=f（I），称为同步发电机的外特性。

，称为同步发电机的外特性。

（即（即n=n1，If=常值，常值，=常值时，常值时，U=f（I）曲线）曲线）1、外特性、外特性If=IfN，%10

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