摘" 要:我國(guó)要在2030年前二氧化碳排放量達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,節(jié)能是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,能源供應(yīng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約愈演愈烈,作為耗能大戶的電梯,在數(shù)量迅猛增加的同時(shí),如何研究和發(fā)展節(jié)能技術(shù),對(duì)國(guó)家每年節(jié)能效益的影響是相當(dāng)可觀和重要的。該文從電梯的曳引機(jī)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)和控制系統(tǒng)技術(shù)3方面介紹電梯的節(jié)能技術(shù)。希望能助力電梯制造企業(yè)向全社會(huì)提供更加環(huán)保節(jié)能的電梯,推動(dòng)我國(guó)的節(jié)能事業(yè)。
關(guān)鍵詞:電梯;節(jié)能技術(shù);曳引機(jī);驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);控制系統(tǒng)
中圖分類號(hào):TU857" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " " " " 文章編號(hào):2095-2945(2023)25-0159-04
Abstract: In order to achieve the peak carbon dioxide emissions by 2030 and carbon neutralization by 2060, energy saving becomes the key support to achieve the goal of carbon peak and carbon neutralization. With the rapid development of China's economy, the restriction of energy supply on social and economic development is becoming more and more intense. as the number of elevators is increasing rapidly, how to study and develop energy-saving technology at the same time, the impact on the annual energy-saving benefits of the country is considerable and important. This paper introduces the energy-saving technology of elevator from three aspects: traction machine technology, drive system technology and control system technology, so as to help elevator manufacturing enterprises to provide more environmentally friendly and energy-saving elevators to the whole society and promote the cause of energy conservation in our country.
Keywords: elevator; energy-saving technology; traction machine; drive system; control system
隨著我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展,我國(guó)不但是全球最大的電梯市場(chǎng),更發(fā)展成為世界的電梯制造中心。從近十年的數(shù)據(jù)看,中國(guó)電梯市場(chǎng)占據(jù)了全球市場(chǎng)的60%~65%,“中國(guó)制造”的電梯也占全球產(chǎn)量的70%,成為世界電梯第一大國(guó)。截至2019年底,全國(guó)電梯保有量達(dá)到709.75萬(wàn)臺(tái)。隨著近20年來(lái)投入使用的電梯數(shù)量迅速增加,全社會(huì)越來(lái)越關(guān)注電梯能耗對(duì)綠色發(fā)展的影響[1],各行各業(yè)都在倡導(dǎo)發(fā)展綠色產(chǎn)品、綠色技術(shù)、綠色產(chǎn)業(yè)和綠色企業(yè),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型。根據(jù)《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》相關(guān)規(guī)定,電梯作為高耗能特種設(shè)備,必須接受節(jié)能審查和監(jiān)管[2],2012年6月國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高耗能特種設(shè)備節(jié)能工作的通知》。2022年4月1日起,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》開(kāi)始實(shí)施。電梯是數(shù)量龐大且持續(xù)快速增長(zhǎng)的高耗能特種設(shè)備,通常情況下,電梯耗電可占到建筑物整體耗電的5%~15%,如何深入開(kāi)發(fā)電梯的節(jié)能技術(shù),對(duì)社會(huì)的節(jié)能事業(yè)愈發(fā)顯得重要。電梯是由曳引機(jī)、控制屏、限速器、安全鉗、導(dǎo)軌、對(duì)重、補(bǔ)償鏈、轎廂、廳門(mén)、層站呼梯、緩沖器及上下終端開(kāi)關(guān)等部件組成的安裝于大樓井道內(nèi)的垂直運(yùn)輸設(shè)備,電梯的傳動(dòng)方式、調(diào)速方式、管理方式的技術(shù)水平?jīng)Q定了電梯的能耗水平[3]。近年來(lái),新的電梯節(jié)能技術(shù)得以應(yīng)用,大致可分為曳引機(jī)節(jié)能技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制節(jié)能技術(shù)、控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。
1" 曳引機(jī)節(jié)能技術(shù)
曳引機(jī)是電梯的核心部件,決定電梯能效水平的重要因素之一就是曳引機(jī)的能效水平。從曳引機(jī)的技術(shù)發(fā)展史看,主要是蝸輪蝸桿傳動(dòng)、行星齒輪斜齒輪傳動(dòng)和無(wú)齒輪傳動(dòng)3大類。蝸輪蝸桿傳動(dòng)式曳引機(jī)歷史悠久,但采用蝸輪蝸桿減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)只有70%左右的傳動(dòng)效率,還有體積大、減速箱齒輪油污染環(huán)境等問(wèn)題。行星齒輪斜齒輪曳引機(jī)雖然傳動(dòng)效率相比蝸輪蝸桿傳動(dòng)曳引機(jī)高,但其體積大、部件加工精密度極高、制造成本高,不利于大范圍推廣。永磁同步無(wú)齒輪曳引機(jī)是電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),具有力矩大、轉(zhuǎn)速低的特性,沒(méi)有蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)齒輪損耗,其傳動(dòng)效率可以提高20%左右,沒(méi)有傳動(dòng)齒輪發(fā)熱,可以降低風(fēng)扇等降溫散熱措施的能耗。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是由永磁材料鐵芯產(chǎn)生,不需要消耗勵(lì)磁電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng);電機(jī)啟動(dòng)后,轉(zhuǎn)子沒(méi)有電流通過(guò),轉(zhuǎn)子不再產(chǎn)生能量損耗,相比異步電機(jī)大大降低了損耗;沒(méi)有集電環(huán)和電刷的摩擦損耗,定子電流和損耗也減小,提高了電動(dòng)機(jī)功率密度,電動(dòng)機(jī)發(fā)熱小,也減少了降溫散熱措施帶來(lái)的能量損耗。永磁同步電機(jī)使用矢量變換控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)模擬直流電機(jī)的控制方式,起、制動(dòng)電流明顯低于感應(yīng)電動(dòng)機(jī),無(wú)需從電網(wǎng)消耗無(wú)功電流,進(jìn)一步提高功率因數(shù)接近1。我國(guó)是稀土材料儲(chǔ)備大國(guó),近年來(lái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的研發(fā)、制造技術(shù)不斷發(fā)展,生產(chǎn)成本不斷下降,具備了廣泛使用的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ),以上永磁同步曳引機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)低能耗和高效率創(chuàng)造了條件。
2" 驅(qū)動(dòng)控制節(jié)能技術(shù)
2.1" 變頻變壓調(diào)速電梯的節(jié)能特性
交流調(diào)速是當(dāng)今主流的電梯調(diào)速技術(shù),在調(diào)速技術(shù)發(fā)展歷程中,初期是改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)的變極調(diào)速,后續(xù)又發(fā)展調(diào)控電動(dòng)機(jī)定子電壓的調(diào)壓調(diào)速技術(shù),但這2種調(diào)速技術(shù)都存在能耗較高,可控性差的問(wèn)題。近30年,同時(shí)調(diào)控電動(dòng)機(jī)定子電壓和頻率的變壓變頻調(diào)速技術(shù)逐步發(fā)展,大大提高了電動(dòng)機(jī)的節(jié)能性和可控性[3]。以下分別按電梯運(yùn)行啟動(dòng)階段、穩(wěn)速運(yùn)行階段、制動(dòng)運(yùn)行階段來(lái)分析變壓變頻調(diào)速電梯的節(jié)能性。
2.1.1" 啟動(dòng)運(yùn)行階段
調(diào)壓調(diào)速電梯在啟動(dòng)時(shí)電流頻率為50 Hz,為產(chǎn)生電梯啟動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩,啟動(dòng)時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流,功率損耗大,電動(dòng)機(jī)熱損耗也大,且大部分是無(wú)功功率。變壓變頻調(diào)速電梯啟動(dòng)時(shí)的頻率低于50 Hz,在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行下,輸出功率和輸出轉(zhuǎn)速成正比,啟動(dòng)時(shí)電梯速度逐漸增大的過(guò)程中電動(dòng)機(jī)輸出功率逐漸增加,與調(diào)壓調(diào)速電梯相比,啟動(dòng)電流大大減少,降低了能耗[4]。
2.1.2" 穩(wěn)速運(yùn)行階段
在重載和半載上行的條件下,電動(dòng)機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài),電流頻率穩(wěn)定,調(diào)壓調(diào)速電梯消耗的能量和變頻變壓調(diào)速電梯相差不大。在輕載上行和重載下行時(shí),轎廂與對(duì)重平衡后的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與轎廂運(yùn)行方向相同,電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),調(diào)壓調(diào)速電梯通過(guò)消耗電網(wǎng)能源產(chǎn)生與運(yùn)行方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)控制電梯按照穩(wěn)定速度運(yùn)行[5]。而變壓變頻調(diào)速電梯使用再生發(fā)電制動(dòng)技術(shù),將電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)的電能消耗在制動(dòng)電阻上,或者用能量反饋技術(shù),不但不需要從電網(wǎng)中額外消耗能量,還能反饋電能到電網(wǎng),節(jié)能效果非常顯著。
2.1.3" 制動(dòng)階段
調(diào)壓調(diào)速電梯在制動(dòng)階段需要消耗電能產(chǎn)生制動(dòng)力矩,電機(jī)因制動(dòng)電流發(fā)熱耗能,還需風(fēng)扇等耗能設(shè)備給電動(dòng)機(jī)降溫。而變壓變頻調(diào)速電梯在制動(dòng)階段電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),可將發(fā)出的電能消耗在制動(dòng)電阻上,或者反饋到電網(wǎng),避免了制動(dòng)電流的功率損耗和熱能損耗,也不需要從電網(wǎng)額外消耗電能,相比調(diào)壓調(diào)速電梯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。
綜上所述,變壓變頻調(diào)速電梯具有明顯的節(jié)能特性,經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)算比較,與調(diào)壓調(diào)速電梯相比,節(jié)能達(dá)30%以上。
2.2" 能量回饋技術(shù)的節(jié)能特性
電梯在輕載上行和重載下行時(shí),變壓變頻調(diào)速電梯處于再生發(fā)電狀態(tài),電梯系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能消耗在電機(jī)外部散熱電阻上[6]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前有98%以上的電梯將這部分能量白白浪費(fèi)在再生電阻發(fā)熱上。以2019年底全國(guó)在用電梯700萬(wàn)臺(tái)統(tǒng)計(jì),假設(shè)每臺(tái)電梯平均功率為12 kW,再生電阻平均功率為4 kW計(jì)算,每天使用8 h,每天再生電阻耗電2.2億kW·h,全年耗電約818億kW·h。按照三峽大壩滿額日發(fā)電量4.3億kW·h計(jì)算,相當(dāng)于三峽大壩6個(gè)月的發(fā)電量,這是何等的浪費(fèi)!電梯的能量反饋技術(shù),就是將電梯這部分再生能量回饋到電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。不再需要再生電阻散熱,大大降低了機(jī)房溫度,在南方地區(qū)還可節(jié)約為保障電梯正常運(yùn)行防止機(jī)房溫度過(guò)高使用空調(diào)的電能損耗。
當(dāng)電梯處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí),機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,根據(jù)有源逆變技術(shù)的原理,這些電能就可以通過(guò)并接在變頻器直流母線兩端的能量回饋裝置高效地逆變?yōu)榻涣麟姺邓突仉娋W(wǎng)。目前主要有下列3種能量反饋技術(shù)方案:PWM回饋器、雙PWM可逆整流器和矩陣變換器。
2.2.1" 基于PWM回饋器的能量回饋方式
回饋器可設(shè)計(jì)成獨(dú)立的能量回饋裝置。但由于該技術(shù)存在曳引機(jī)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)輸入電流側(cè)諧波大、功率因數(shù)等缺點(diǎn),較少用于新裝電梯,而主要作為獨(dú)立的能量回饋裝置用于在用電梯的節(jié)能改造。
2.2.2" 基于PWM可逆整流技術(shù)的能量回饋方式
目前電梯行業(yè)使用的主流能量回饋技術(shù)是雙PWM可逆整流技術(shù)的能量回饋。這種能量回饋技術(shù)是使用雙PWM逆變整流器和多重濾波器,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)間的電能雙向傳輸,回饋到電網(wǎng)的電能清潔無(wú)諧波污染。當(dāng)曳引電機(jī)處于電動(dòng)工況時(shí),電網(wǎng)電源輸入通過(guò)PWM整流器進(jìn)行整流后控制交流電網(wǎng)的電流和電壓保持相同相位,而在電機(jī)側(cè)使用PWM逆變器進(jìn)行逆變后通過(guò)IGBT控制輸出電壓和頻率的正比關(guān)系,以此確保輸入電機(jī)的電流為正弦波,保持電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定,降低高次諧波電流損耗;當(dāng)曳引電機(jī)處于發(fā)電工況時(shí),電機(jī)側(cè)使用PWM逆變器將電機(jī)產(chǎn)生的電能導(dǎo)向中間濾波器,再通過(guò)電網(wǎng)側(cè)的PWM整流器中的IGBT將電能回饋交流電網(wǎng),以此完成能量的雙向流動(dòng),節(jié)約大量的電能。
2.2.3" 基于矩陣變換器的一體化能量回饋方式
矩陣變換器不需要中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié),通過(guò)矩陣結(jié)構(gòu)的功率模塊實(shí)現(xiàn)交流-交流的新型電源變換器,只有一次換能,大幅降低能耗,回饋到電網(wǎng)的電能直接、高效,節(jié)能性進(jìn)一步提升,雖然實(shí)用化和商品化僅僅不到十年時(shí)間,但從電梯行業(yè)發(fā)展方向看,矩陣變換器將成為下一代電梯驅(qū)動(dòng)控制回路的基礎(chǔ)。
根據(jù)2臺(tái)運(yùn)行速度1.75 m/s、載重1 050 kg、27層住宅樓電梯實(shí)測(cè)每天每臺(tái)耗電約37.7 kW·h,采用能量回饋技術(shù)后,實(shí)際平均可節(jié)能30%以上。2021年我國(guó)電梯銷售量已超過(guò)120萬(wàn)臺(tái),如果其中100萬(wàn)臺(tái)使用能量回饋技術(shù)節(jié)能,每年預(yù)計(jì)節(jié)約電能41億kW·h,減少二氧化碳排放約410萬(wàn)t,減少二氧化硫排放約3萬(wàn)t,減少氮氧化物排放約1萬(wàn)t,減少塵埃排放約1.3萬(wàn)t,還可節(jié)約煤約139萬(wàn)t[7],這將為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和作出巨大的貢獻(xiàn)。
2.3" 超級(jí)電容技術(shù)的節(jié)能特性
超級(jí)電容是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型儲(chǔ)能材料,隨著超級(jí)電容材料制造技術(shù)和控制技術(shù)的不斷完善,其體積不斷縮小、儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能量增加,沖放電時(shí)間縮短,電壓承受能力增加,已實(shí)際應(yīng)用于電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)。電梯在輕載上行和重載下行時(shí),變壓變頻調(diào)速電梯處于再生發(fā)電狀態(tài),通過(guò)雙向直流變換器(DC-DC)將曳引機(jī)的再生電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容內(nèi),當(dāng)電梯在重載上行和輕載下行時(shí),超級(jí)電容中儲(chǔ)存的電能通過(guò)雙向直流變換器(DC-DC)給曳引機(jī)供電[8],減少了從電網(wǎng)汲取的能量,實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。此外,電梯突然停電的緊急情況下,超級(jí)電容中儲(chǔ)存的電能可提供應(yīng)急電源,驅(qū)動(dòng)電梯在最近樓層停靠開(kāi)門(mén),防止電梯突然停電時(shí)乘客被困的情況發(fā)生。
3" 控制系統(tǒng)中的節(jié)能技術(shù)
電梯控制系統(tǒng)中采用的運(yùn)行效率提升技術(shù)、部件節(jié)能技術(shù)和智能化,也為電梯節(jié)能事業(yè)起到重要作用。
3.1" 運(yùn)行效率提升技術(shù)
電梯群控系統(tǒng)通過(guò)模擬人類腦神經(jīng)細(xì)胞的信息處理而形成自適應(yīng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在專家系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度自主學(xué)習(xí)技能,根據(jù)大樓內(nèi)每臺(tái)電梯不同時(shí)間段的實(shí)際乘客流量變化,計(jì)算分析后實(shí)時(shí)調(diào)整制定綜合效率最佳的運(yùn)行方式來(lái)對(duì)電梯進(jìn)行群控管理,實(shí)現(xiàn)綜合效率最佳的派梯方案,不僅可以將乘客平均候梯時(shí)間縮短,還能減少電梯啟動(dòng)、加速、減速及停靠次數(shù),縮短乘客的平均乘梯時(shí)間,節(jié)約電梯運(yùn)行時(shí)間,實(shí)現(xiàn)降低電梯能耗的目的。
電梯轎廂負(fù)載在平衡重量區(qū)間時(shí),曳引機(jī)沒(méi)有工作在滿負(fù)荷功率下,多出來(lái)的這部分曳引機(jī)功率就可用在提升電梯速度上,在電梯行程的中間段可提高電梯勻速運(yùn)行的速度。應(yīng)用可變速電梯技術(shù),在乘客人數(shù)變化時(shí)充分利用電梯功率來(lái)提高電梯運(yùn)行速度,提升運(yùn)行效率。以1臺(tái)額定速度為1.75 m/s、轎廂載客14人的電梯為例,當(dāng)電梯乘客為2~4人或者10~11人時(shí),電梯勻速運(yùn)行時(shí)的速度可提高到2.0 m/s;當(dāng)電梯乘客為5~9人時(shí),轎廂負(fù)荷接近平衡負(fù)載,電梯勻速運(yùn)行時(shí)的速度可提高到2.5 m/s,大大提高電梯的運(yùn)輸效率。
控制系統(tǒng)效率模式,使用優(yōu)化算法和相關(guān)措施最大程度減少每一次“停靠時(shí)間”,提升運(yùn)行效率。
3.2" 智能化技術(shù)
3.2.1" 目的層去向預(yù)報(bào)系統(tǒng)
在層站設(shè)立目的層按鈕,電梯控制系統(tǒng)根據(jù)乘客去向的樓層信息,將到達(dá)樓層相同的乘客指示去乘坐同一臺(tái)電梯,可有效減少電梯停層次數(shù),提高電梯運(yùn)行效率。
3.2.2" 照明和風(fēng)扇自動(dòng)控制系統(tǒng)
當(dāng)電梯檢測(cè)到一定時(shí)間內(nèi)未運(yùn)行時(shí),電梯控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電梯轎廂內(nèi)的照明和風(fēng)扇。按照每臺(tái)電梯照明和風(fēng)扇耗電50 W/h,每天關(guān)閉8 h,每臺(tái)電梯全年可節(jié)約電能146 kW·h。
3.2.3" 層站顯示的自動(dòng)低亮顯示
沒(méi)有乘客登記的層站,顯示器以低亮方式顯示,僅在本層按鈕按下時(shí)才以正常亮度顯示,以節(jié)約電能。
3.2.4" 錯(cuò)誤指令取消功能
如果有一位乘客在電梯內(nèi)同時(shí)登記了多個(gè)樓層,控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的轎廂內(nèi)乘客重量,自動(dòng)取消這些樓層;乘客還可以在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)按壓已登記的樓層按鈕來(lái)主動(dòng)取消已登記的樓層,從而避免電梯無(wú)效運(yùn)行、浪費(fèi)能源。
3.2.5" 自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道采用變頻控制技術(shù)
當(dāng)檢測(cè)到2批乘客之間的間隙時(shí)間超過(guò)一定值時(shí),降低運(yùn)行速度,直至停止運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
3.3" 節(jié)能器件應(yīng)用
采用雙向直流變換技術(shù)(DC-DC)的全開(kāi)關(guān)電源供電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)變壓器供電,避免傳統(tǒng)變壓器的銅線圈繞組損耗,能耗比傳統(tǒng)變壓器減少20%。
轎廂照明使用LED燈,LED發(fā)光二極管相比日光燈或白熾燈的能耗至少可以減少90%。采用日光燈轎廂照明約需200 W,而采用LED照明后僅需20 W。
功率開(kāi)關(guān)器件IGBT、IPM等的升級(jí)迭代降低變頻系統(tǒng)的無(wú)功損耗。
4" 結(jié)束語(yǔ)
“十一五”以來(lái),國(guó)務(wù)院在每個(gè)五年規(guī)劃期均制定節(jié)能減排綜合工作方案,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色轉(zhuǎn)型。廣泛研究和應(yīng)用電梯節(jié)能技術(shù)勢(shì)在必行,是符合國(guó)家節(jié)能減排大政方針、利國(guó)利民的一件大事,是我國(guó)高質(zhì)量發(fā)展的重要一環(huán)。永磁同步無(wú)齒輪曳引機(jī)、變頻變壓調(diào)速、能量回饋技術(shù)的應(yīng)用,以及先進(jìn)的電梯節(jié)能控制技術(shù)、智能化技術(shù)的應(yīng)用,使電梯的節(jié)能效果日益提升,不僅具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,還能促進(jìn)生態(tài)效益最大化。先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)備研發(fā)推廣將是未來(lái)電梯行業(yè)發(fā)展的必然方向。
參考文獻(xiàn):
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