电力电子技术实验报告

实验一 三相半波可控整流电路实验

一、实验目的

了解三相半波可控整流电路的工作原理，研究可控整流电路在电阻负载和电阻电感性负载时的工作情况。

二、实验所需挂件及附件

三、实验线路及原理

三相半波可控整流电路用了三只晶闸管，与单相电路比较，其输出电压脉动小，输出功率大。不足之处是晶闸管电流即变压器的副边电流在一个周期内只有1/3 时间有电流流过，变压器利用率较低。图3.1中晶闸管用DJK02 正桥组的三个，电阻R 用D42 三相可调电阻，将两个900Ω接成并联形式，Ld电感用DJK02面板上的700mH，其三相触发信号由DJK02-1 内部提供，只需在其外加一个给定电压接到Uct端即可。直流电压、电流表由DJK02 获得。

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图3.1 三相半波可控整流电路实验原理图

四、实验内容

(1)研究三相半波可控整流电路带电阻性负载。

(2)研究三相半波可控整流电路带电阻电感性负载。

五、预习要求

阅读电力电子技术教材中有关三相半波整流电路的内容。

六、思考题

(1)如何确定三相触发脉冲的相序，主电路输出的三相相序能任意改变吗？

(2)根据所用晶闸管的定额，如何确定整流电路的最大输出电流？

七、实验方法

(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试

①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。

③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。

④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜

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率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。

⑤将DJK06上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使α=170°。

⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。

⑦将DJK02-1 面板上的Ulf端接地，用20 芯的扁平电缆，将DJK02-1 的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6 晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。

(2)三相半波可控整流电路带电阻性负载

按图3-10接线，将电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，DJK06上的“给定”从零开

始，慢慢增加移相电压，使α能从30°到170°范围内调节，用示波器观察并纪录α=30°、60°、90°、120°、150°时整流输出电压Ud和晶闸管两端电压UVT的波形，并纪录相应的电源电压U2及Ud的数值于下表中

计算公式：Ud＝1.17U2cosα (0～30°)

Ud＝0.675U2[1+cos(a+π/6))] (30°～150°)

(3)三相半波整流带电阻电感性负载

将DJK02上700mH 的电抗器与负载电阻R 串联后接入主电路，观察不同移相角α时Ud、Id的输出波形，并记录相应的电源电压U2及Ud、Id值，画出α＝90°时的Ud及Id波形图。

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八、实验报告

绘出当α＝90°时，整流电路供电给电阻性负载、电阻电感性负载时的Ud及Id的波形，并进行分析讨论。

九、注意事项

(1) 双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

(2)在本实验中，触发脉冲是从外部接入DJKO2面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向“断”的位置，并将Ulf及Ulr悬空，避免误触发。

(3)整流电路与三相电源连接时，一定要注意相序，必须一一对应。

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实验二 三相桥式半控整流电路实验

一、实验目的

(1) 了解三相桥式半控整流电路的工作原理及输出电压，电流波形。

(2) 了解晶闸管在带电阻性及电阻电感性负载，在不同控制角α下的工作情况。

二、实验所需挂件及附件

三、实验线路及原理

在中等容量的整流装置或要求不可逆的电力拖动中，可采用比三相全控桥式整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路。它由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控两者的特性。共阳极组三个整流二极管总是在自然换流点换流，使电流换到比阴级电位更低的一相，而共阴极组三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的一个。输出整流电压Ud 的波形是三组整流电压波形之和，改变共阴极组晶闸管的控制角α，可获得0～2.34U2的直流可调电压。

具体线路可参见图3.2。其中三个晶闸管在DJK02 面板上，三相触发电路在DJK02-1 上,二极管和给定在DJK06 挂箱上，直流电压电流表以及电感Ld从DJK02 上获得，电阻R 用D42 三相可调电阻，将两个900Ω接成并联形式。

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60°、90°、120°、150°时的电压值以及波形。

七、实验报告

(1) 画出实验所得的各特性曲线与波形图。

(2) 对可控整流电路在整流状态与逆变状态的工作特点作比较。

八、注意事项

(1) 双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

(2) 在本实验中，触发脉冲是从外部接入DJKO2面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向“断”的位置，并将Ulf及Ulr悬空，避免 误触发。

(3) 为防止逆变颠覆，逆变角必须安置在90°≥β≥30°范围内。即Uct＝0时，β＝30°,调整Uct时，用直流电压表监视逆变电压，待逆变电压接近零时，必须缓慢操作。

(4) 在实验过程中调节β，必须监视主电路电流，防止β的变化引起主电路出现过大的电流。

(5) 在实验接线过程中，注意三相心式变压器高压侧的和中压侧的中线不能接一起。

(6) 有时会发现脉冲的相位只能移动120°左右就消失了，这是因为触发电路的原因，触发电路要求相位关系按A、B、C的排列顺序，如果A、C两相相位接反，结果就会如此，对整流实验无影响，但在逆变时，由于调节范围只能到120°，实验效果不明显，用户可自行将四芯插头内的A、C相两相的导线对调，就能保证有足够的移相范围。

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实验四 单相斩控式交流调压电路实验

一、实验目的

(1) 熟悉斩控式交流调压电路的工作原理。

(2) 了解斩控式交流调压控制集成芯片的使用方法与输出波形。

二、实验所需挂件及附件

三、实验线路及原理

斩控式交流调压主电路原理如图3.4 所示。

图3.4 斩控式交流调压主电路原理图

一般采用全控型器件作为开关器件，其基本原理和直流斩波电路类似，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流

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调压电路输入的是正弦交流电压。在交流电源ui 的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在ui的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通道。设斩波器件V1、V2的导通时间为ton，开关周期为T，则导通比为α=ton/T，和直流斩波电路一样，通过对α的调节可以调节输出电压U0。

图3.5 给出了电阻负载时负载电压U0和电源电流i1(也就是负载电源)的波形。可以看出电源电流的基波分量是与电源电压同相位的。即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近于1。

图3.5 电阻负载斩控式交流调压电路波形

斩控式交流调压控制电路方框图如图3.6 所示，PWM 占空比产生电路使用美国Silicon General公司生产的专门PWM集成芯片SG3525，其内部电路结构及各引脚功能查阅相关资料。

在交流电源ui的正半周，V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道，V4关断；在ui的负半周，V2进行斩波控制，V3关断，用V4给负载电流提供续流通道。控制信号与主电路的电源必须保持同步。

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图3.6 斩控式交流调压控制电路方框图

四、实验内容

(1) 控制电路波形观察。 (2) 交流调压性能测试。

五、思考题

(1) 比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路的调压原理、特征及其功率因数？

(2) 采用何种方式可提高斩控式交流调压电路输出电压的稳定度？

(3) 对斩控式交流调压电路的输出电压波形作谐波分析？

六、实验方法

由于主电路的电源必须与控制信号保持同步，因此主电路的电源不需要外部接入。但是为了能同时观察两路控制信号之间的相位关系，主电路的开关K 是串接在电源开关之后的。在观察控制信号时将开关打在断状态。

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(1) 控制电路波形观察

① 断开开关K，使主电路不得电，接通电源开关，用双踪示波器观察控制电路的波形，并记录参数。

② 测量控制信号V1与V4、V2与V3之间的死区时间。 (2) 交流调压性能测试

① 接入电阻负载（220V/25W 的白炽灯），接通开关K，调节PWM 占空比调节电位器，改变导通比α，（即改变Ur 值）使负载电压由小增大，记录输出电压的波形，并测量输出电压。

② 接入电阻、电感性负载，（即与白炽灯串接一个电感作为负载）重复上述实验步骤。

七、实验报告

在方格纸上画出控制信号与不同负载下的输出电压波形并分析。

八、注意事项

双踪示波器有两个探头，可同时测量两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被 测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

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实验五 PS-ZVS-PWM 软开关技术实验

一、实验目的

(1) 熟悉移相控制零电压开关PWM(PS-ZVS-PWM)的结构与工作原理。

(2) 了解全桥软开关电源移相PWM 控制芯片的使用方法和工作原理。

二、实验所需挂件及附件

三、实验线路及原理

图3.7 实验线路图

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实验线路主要有控制电路、驱动电路、移相控制零电压开关PWM (PS-ZVS-PWM)变换器和稳压反馈电路组成。

1、PS-ZVS-PWM 变换器简介

PS-ZVS-PWM 变换器利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容或外接电容来实现零电压开关，它的电路结构及主要波形如图3.8 所示。

图3.8 主电路结构和主要波形

其中，D1～D4分别是Q1～Q4的内部寄生二极管，C1～C4分别是Q1～Q4的寄生电容或外接电容。Lr是谐振电感，它包括了变压器的漏感。每个桥臂的两个功率管(Q1、Q3和Q4、Q2)成180°互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小来调节输出电压。Q1 和Q3分别超前于Q4和Q2一个相位，称Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q4和Q2组成的桥臂为滞后桥臂。

在一个开关周期中，PS-ZVS-PWM 全桥变换器有12种开关状态。假设：

① 所有元器件均为理想器件； ② C1=C3=Clead，C2=C4=Clag；

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③ Lf＞＞Lr/K，K是变压器原副边匝比, Lf为输出电感。 图3.9 到图3.15给出了该变换器在不同开关状态下的等效电路。各开关状态的工作情况描述如下。 （1）开关模态0

在t0时刻，对应于图3.9。Q1和Q4导通。原边电流由电源正经Q1、变压器原边绕组、谐振电感Lr以及Q4，最后回到电源负极。

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副边电流回路由副边绕组Ls1的正端，经整流管DR1、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cr与负载RL，回到Ls1的负端。

图3.9 开关模态0

(2) 开关模态1

[t0～t1],对应于图3.10。在t0时刻关断Q1，原边电流从Q1中转移到C3和C1支路中，C1充电，C3放电。由于C1的存在，Q1是零电压关断。在这个时段里，谐振电感Lr和滤波电感Lf是串联的，而且Lf很大，因此可以认为原边电流ip近似不变，类似于一个恒流源。

在t1时刻，C3的电压下降到零，Q3的反并二极管D3自然导通，从而结束开关模态1。

图3.10 开关模态1

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（3）开关模态2

[t1～t2],对应于图3.11。D3导通后，开通Q3。虽然这时候Q3被开通，但并没有电流流过，原边电流由D3流通。由于是在D3导通时开通Q3，所以Q3是零电压开通。Q3&Q1驱动信号之间的死区时间td(lead)>to1。在这段时间里，原边电流等于折算到原边的滤波电感电流。在t2时刻，原边电流下降到I2。

图3.11 开关模态2

（4）开关模态3

[t2～t3],对应于图3.12。在t2时刻，关断Q4，原边电流ip由C2和C4两条路径提供，也就是说，原边电流ip用来抽走C2上的电荷，同时又给C4充电。由于C4的存在，Q4是零电压关断。此时，VAB=-VC4, VAB的极性自零变为负，变压器副边绕组电势下正上负，整流二极管DR2导通，副边绕组Ls2中开始流过电流。整流管DR1 和DR2 同时导通，将变压器副边绕组短接，这样变压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，VAB直接加在谐振电感Lr上。因此在这段时间里实际上谐振电感和C2 、C4在谐振工作。

在t3时刻，当C4的电压上升到VIN，D2自然导通，结束这一开关模态。

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图3.12 开关模态3

（5）开关模态4

[t3～t4],对应于图3.13。在t3时刻，D2自然导通，将Q2的电压箝位在零电位，此时就可以开通Q2，Q2是零电压开通。Q2&Q4驱动信号之间的死区时间td(lag)>t23，虽然此时Q2已开通，但Q2不流过电流，原边电流由D2 流通。原边谐振电感的储能回馈给输入电源。由于副边两个整流管同时导通，因此变压器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，这样电源电压VIN加在谐振电感两端，原边电流线性下降。

到t4时刻，原边电流从Ip（t3）下降到零，二极管D2和D3自然关断，Q2和Q3中将流过电流。

（6）开关模态5

[t4～t5]，对应于图3.14。在t4时刻，原边电流由正值过零，并且向负方向增加，此时Q2和Q3 为原边电流提供通路。由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两个整流管提供回路，因此原边绕组电压仍然为零，加在谐振电感两端的电压为电源电压VIN，原边电流反向增加。

到t5时刻，原边电流达到折算到原边负载电流-ILf(t5)/K 值，该开关模态结束。此时，整流管DR1 关断，DR2 流过全部负载电流。

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图3.13 开关模态4

图3.14 开关模态5

（7）开关模态6

[t5～t6]，对应于图3.15，在这段时间里，电源给负载供电。 在t6时刻，Q3关断，变换器开始另一半个周期的工作，其工作情况类似于上述的半个周期。

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图3.15 开关模态6

2、UCC3895 简介

UCC3895 的各引脚功能(引脚排列见图3.16) 。

图3.16 UCC3895引脚排列图

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图3.17 UCC3895 内部功能框图

ADS：自适应延迟时间设置端。其功能是设置输出延迟死区时间的可编程最大与最小值之比。当ADS 脚直接连接到CS 脚时，没有延迟出现。当ADS 接地时，有最大的延迟输出。在这种情况下，CS=0 时的延迟时间是CS=2V（峰值电流门限电平）时的4 倍，ADS 按如下公式改变延迟脚DELAB和DELCD 上的输出电压：

式中VCS 和VADS 单位是伏特。ADS 应限制在0～2.5V 之间，并且它必须小于或者等于CS。DELAB和DELCD引脚也将被箝位在最小值0.5V。

EAOUT：是误差放大器的输出端。它在IC 内部与PWM比较器和空载比较器的同相输入端连接。EAOUT在内部被箝位到一个缓启动的电压。当EAOUT下降到低于500mV 时，空载比较器关闭输出级，而当EAOUT 上升到高于600mV 时，它又让输出级再次开通。

CT：振荡器的定时电容器端。UCC3895的振荡器对CT 充电，其

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充电电流可编程调节。CT上的波形是一个锯齿波，它的峰值电压为2.35V 。振荡周期由下式近似计算：

各变量的单位是：CT用法拉，RT用欧姆，tosc用秒。CT的范围可从100～880pF。请注意大的CT与小的RT组合将引起CT波形下降时间延长。该增加的下降时间将增大同步信号SYNC 的脉宽，从而限制了OUTA、OUTB 和OUTC、OUTD输出脉冲之间的最大相移，因此限制了变换器的最大占空比。

CS：电流传感端。它是电流测量比较器的反相输入端，又是过流比较器和ADS 放大器的同相输入端。电流传感信号用于逐周电流限制（在峰值电流模式控制下），并用于所有情况下的过流保护，带有一个第二级阀值的输出封锁。过流故障时使输出禁止，同时也激活了一个称为“软停止”的周期，其过程十分平缓。

DELAB、DELCD：是互补输出之间的死区调节。其中DELAB调节OUTA与OUTB开关之间的死区时间，DELCD调节OUTC与OUTD之间的死区时间。这个功能使外部同相桥臂的互补输出之间引入死区时间。这个死区时间就是外部谐振开通或关断发生的时刻。对两个半桥电路提供各自的死区，以适应不同的谐振电容器的充电需要。每级的死区时间可按下式来设置：

式中，VDEL用伏特，RDEL用欧姆，tDELAY用纳秒。DELAB 和DELCD 的最大电流约1mA。选择延迟电阻器可限制电流不超过该最大值。当DELAB、DELCD 同时或其中之一接基准电压REF 时，会导致可调节的输出死区为零。为了优化性能，需使这两脚的杂散电容小于10pF。

EAP：误差放大器的同相输入端。 EAN：误差放大器的反相输入端。

GND：除了输出级之外，是IC 所有电路的接地端。

OUTA、OUTB、OUTC、OUTD：这四个是具有100mA 的互补MOS 驱动的输出端，适用于FET 的驱动。OUTA和OUTB 是完全互补的（假定无可调延迟时）。它们工作在接近50%的占空比和一半的振荡频率。OUTA 和OUTB 用于驱动一个半桥电路。OUTC和OUTD 将驱动另一个半桥电路。它们与OUTA和OUTB 具有相同的特性。OUTC 是相对于OUTA 移相，而OUTD 则是相对于OUTB 移相。

PGND：IC输出级的接地端。为了抑制来自开关噪音对模拟电

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路的影响，UCC3895 有两个不同的接地端。PGND 是为大电流输出级设置的接地点。GND 和PGND 两者应在电路板上紧密联结在一起靠近IC。而且因PGND 携带大电流，所以电路板的布线应是低阻抗的。

RAMP：是脉宽调制PWM 比较器的反相输入端。该脚在平均电流模式控制下接收CT脚上电压波形，或者在峰值电流模式下接收电流信号（正的斜率补偿）。在振荡器的死区时间里，IC 内部一只放电晶体管接通RAMP。

RT：振荡器的定时电阻器端。外部电容CT，是一个取决于RT大小的固定电流充电，从而使UCC3895 的振荡器工作。RT中的电流按下式计算：

式中，RT用欧姆，IRT用安培。RT范围为40～120KΩ。软启动充电电流和放电电流由IRT调节。

SS/DISB：软启动或禁止端。该脚组合了这两个独立的功能。 ① 禁止模式：芯片的快速关闭是由如下任一种方法来实现的：在外部迫使SS/DISB低于0.5V；在外部强迫VREF低于4V；VDD降到低于UVLO 欠压锁定门限电平；或者检测到过流故障信号（CS=2.5V）。

在VREF被拉到低于4V或UVLO条件下，SS/DISB经内部一个

MOSFET开关被有效地拉到地电平。如果检测到过流信号，SS/DISB 将灌入一个10×IRT 的电流，直到SS/DISB 低于0.5V。

② 软启动模式：在故障之后或禁止条件过去后，VDD 高于启动门限电平，或者在软停止期间SS/DISB 降到低于0.5V,SS/DISB将转变到软启动模式。该脚输出一个电流IRT。在SS/DISB 脚由用户选择的一只电容器，确定了软启动的时间。另外，可用一只电阻器与电容器并联，以限制SS/DISB 脚的最大电压。注意，在软启动、软停止和禁止条件下，SS/DISB 将有效地箝位EAOUT脚电压，使之近似为SS/DISB 脚的电压。

SYNC：振荡器的同步端。该脚是双向的。当用作输出脚时，SYNC 能作时钟信号，它与芯片内部的时钟脉冲相同。当用作输入脚时，SYNC 将使芯片内部的振荡器无效，并充当它的时钟信号。该双向特性允许多个电源同步。SYNC 信号也将在IC 内部使CT电容器放电，并使接在RAMP脚的滤波电容器放电。

IC内部的SYNC 电路是电平响应型的，它有一个1.9V 的输入端低门限电平，并有一个2.1V的输入端高门限电平。一只小的3.9k 电阻器可接在SYNC与GND之间，以缩小同步脉冲的宽度。

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