课题名称中频感应加热电源设计
系部电气与信息工程学院
专业电子信息工程（汽车电子信息工程）班级
学号
姓名
指导教师
2 0 1 5年
3 月 22 日
一、课题研究的意义
感应加热电源在金属熔炼、铸造、透热、淬火、弯管、烧结、表面热焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。
在中频（0.5-10kHz)范围内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也形成200-8000Hz，100-3000kw系列产品，可以配备5t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺。但国内中频目前都采用并联谐振型逆变器结构，因此在研究和开发更大容量的并联谐振型逆变中频电源的同时，研制结构简单、易于频繁起动的并联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待需要解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，并联逆变电源易实现全工况下恒功率输出及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。
二、中频感应加热原理及应用
1、集肤效应
当交流电流通过导线时,在导线周围产生交变的磁场，处在交变磁场中的整块导体的内部会产生感应电流，由于这种感应电流在整块导体内部自成闭合回路，形似水的旋涡，称做涡流。在直流电路内，均匀导线的横截面上的电流密度是均匀的，而当交流电通过导线时，由于交变磁场的作用，在导线截面上各处电流分布不均匀，中心处电流密度小，而越靠近表面电流密度越大，这种电流分布不均匀的现象称为集肤效应(也称趋肤效应)。交流电的频率越高，则集肤深度越深，同时其交流阻抗也变大，因此在相同数值的电流作用下，负载所获得的能量也越高，而电流及线路损耗相应地也会变小，从而提高了加热效率，同时还可起到节约电能的目的。变频加热电源正是基于这一原理，利用变频技术，可将运行频率提高到工频的数倍，加
热效果会明显提高。
2、感应加热
1831 年法拉第发现电磁感应规律、1868 年福考特提出涡流理论、1840年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式Q=I2Rt，构成感应加热之理论基础。交变的电流产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。感应加热的加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热。随着电力电子技术的不断成熟，感应加热技术得到了迅速发展。在金属加工上，感应加热热处理用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这种热处理工艺常用于表面淬火、局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生交变磁场，交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流，感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小,工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。
3、感应加热的作用
感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺。由于它本身相对于别的加热方式，具有以下独特优点：
1）加热速度快，可节能。感应加热是从金属内部，透入深度层开始加热，大大节省了热传导时间。
2）加热温度高，是非接触式的电磁感应加热。
3）可进行局部加热，容易控制加热部位。被加热产品质量稳定，加热工件的质量再现性与重复性好，各种参数容易控制。
4）控制温度的精度高，可保证温差在±0.5%～1%范围内。
5）感应加热的热效率高，一般可达50%-70%，而火焰炉的热效率一般只有30%左右。
6）可控性好及易于实现自动化；
7）作业环境好，环保，几乎无热、噪声、粉尘等污染。
4、感应加热的应用
现已广泛应用于冶金（金属熔炼、透热、热处理和焊接等）、机械制造（黑色和有色金属的铸造和精密制造金属的熔炼；机器零件的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火、正火等热处理的加热等）轻工、石油化工（化学反应釜等容器的加热；输油管道缝焊接，现场退火；输油管路的加热和保温；钻铤、钻杆的热处理）电子、金属材料等等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工、石化等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。
三、本课题要研究或解决的问题以及其结构和原理
1、本课题要研究或解决的问题
1.1 学习单片机、电力电子及感应加热技术
1.2 研究感应加热电源的工作原理，设计加热电源主电路，并设计使用单片机实现电源控制电路，使电源运行更加稳定可靠，并能对过压、过滤、缺相、控制电源欠压等故障进行保护并报警。
1.3 感应加热电源的控制电路设计以及整流电路的设计
2、本课题系统的结构和原理
2.1 系统主要包括三相全控整流桥、滤波电路、逆变控制电路、单片机等，其基本结构如下图所示。
2.2 工作原理
主电路由三相桥式全控整流电路提供可调直流电压，经大电流滤波后供给单相逆变桥作振荡电源，负载电路采用纯并联结构。此设计采用了快速V-MOS 场效应管、高速锁相环及单片机等组成的频率为1MHz 输出功率较小的新一代感应加热逆变电路。该电源通过采用高速锁相环实现了频率的自动跟踪，通过单片机对整流部分的
比较器
比较器
逆变控制电路
负载
逆变电路
滤波电路 三相全控制整流桥
脉冲功放
同步信号 单片机
功率给定 起振检测 故障检测
电流采样值
电流限定值
直流电源
电压采样值
电压限定值
脉冲信号
最佳控制，在保证设备稳定可靠的条件下，实现了最大的功率调节。
四、毕业设计的研究方法和技术路线
1、查阅有关书籍，借助于网上数字图书馆收集资料，对课题进行研究分析，形成系统的外部资料，把握国内及国外此方面的研究动向和研究理论。
2、总结前人的经验技术，提出对相关课题的新意见解，并用实践的方式加以证明。
3、在指导老师的安排帮助下解决困难和问题。
4、理论联系实际，进行并完成课题设计。
5、归纳系统的研究过程，撰写论文
高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路的设计主 要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。 采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每 一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器 应用 此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器(板载的10W降压Buck 变换器)。 在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在 系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙 之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使 用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。 更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。 设计指标 输入电压范围： DC+10～+14V 输出电压： DC+5.0V 额定输出电流： 2.0A 过电流限制： 3.0A 输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整：±1％ 最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值 输出功率： +5.0V*2A=10.0W(最大) 输入功率： Pout/估计效率=10.0W／0.90=11.1W 功率开关损耗 (11.1W-10W) * 0．5=0.5W 续流二极管损耗： (1l.lW-10W)*0.5=0.5W 输入平均电流 低输入电压时 11.1W／10V=1.1lA 高输入电压时： 11.1W／14V=0．8A 估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为300kHz。
中频加热电源温度控制--为中频电源生产和使用单位提供温度控制改造方案 国内很多使用中频感应加热电源的单位，绝大多数都没有温度控制，甚至连温度测量都没有，只能看加热功率进行判断，而加热功率并不能直接反映温度的高低，这就造成了生产工艺的不稳定，影响了生产产品的质量。究其原因，是通常作为测温部件的热电偶，很难在中频电源里使用。 由此，我们利用了红外测温仪远距离非接触测量温度的特点，有效的防止中频磁场的影响，结合中频电源专用的高速温度控制器，对加热工件进行温度控制。我们已对国内多家使用单位的中频电源进行了设备改造，取得了满意的效果。 这里涉及的关键是：由于中频电源升降温度都非常快，而且没有保温，热惯性很小，需要红外测温仪的响应时间足够快，一般采用100毫秒甚至更快，由于工件均为金属材料，必须选择波长为1-2微米的红外测温仪才能保证测温准确，而温度控制器也需要快速响应，一般采用具有特殊算法的中频电源专用的温度控制器。 本例中：红外测温仪选用B&S公司的ST-100MT，测温范围400-1200度，波长1微米，响应时间为10毫秒。 温度控制器选用具有特殊算法的中频电源专用控制器。 中频电源功率为60KVA,加热工件直径150毫米的管材。 实现功能为：65秒温度升至880度，保温180秒，20秒降至765度，保温100秒，10秒降至常温。 使用了温度控制，稳定了工艺，提高了产品质量，防止过烧，而且通过自动的调节加热功率，有效的节约了电能。 控制部件参数 红外测温仪选用B&S公司的ST-100MT， 型号和参数 型号ST-100MA(400-1200度）ST-100HA（700-1700度） 光学分辨率（90%）100：1 光谱响应1μm 热参数 精度（环温：23±5℃）读数的±1%或±2℃，取大者 重复性读数的±0.5%或±1℃，取大者 探测器热电堆 响应时间10ms 温度分辨率0.1K 发射率0.10～1.09可调，步长0.01（所有型号） 电参数 输出4-20mA 最大环路阻抗750 Ohm 电源12～24VDC±10%，100mA
摘要 感应加热电源具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，目前已在金属熔炼、工件透热、淬火、焊接、铸造、弯管、表面热处理等行业得到了广泛的应用。 本设计研究了中频感应加热及其相关技术的发展、现状和趋势，并在较全面的论述基础上，对2.5kHz/250kW可控硅中频感应加热电源的整流电路以及控制电路进行了设计。本文设计的电源电路可用于大型机械热加工设备的感应加热电源。整流电路采用三相桥式全控整流电路，其电路结构简单，使电源易于推广；控制策略选用双闭环反馈控制系统，改善了信号迟滞的缺点，为以后研制大功率、超音频的感应加热电源打下了基础。 关键词：可控硅中频电源；感应加热；逆变；保护电路
Design of Induction heating power of medium frequency Abstract Induction heating power is equipped with lots of advantages such as high heating efficiency, fast speed ,good controllability, which is prone to make heating of high and partial temperature ，and realize mechanization and automation. At present metal melting, work piece heat penetration, quenching, welding, casting, elbow piece, surface heating processing has been widely applied. Induction heating of medium frequency and development, current situation, and tendency related technology has been studied，and have made quite comprehensive and in the profound elaboration foundation, this article has carried on the design to main circuit and the inversion control of the 2.5kHz/250kW silicon-controlled rectifier intermediate frequency induction heating power. This design is used for big facility of mechanical heating processing. Structure of rectification circuit is easy, which makes power popularized easily. Three-phase bridge rectification circuit is used in Rectification circuit. Rectification circuit uses feedback control of two closed loop, improving the disadvantages. The foundation for inventing induction heating power of big power and super audio is made. Key words：Controllable silicon medium power Induction heating Inverter Protect circuit
中频加热机操作规程 中频加热机具有效率高、操作方便、运行平稳的特点，但是操作者必须正确操作和精心维护，方能使设备高效、安全运行，所以操作者必须认真阅读此操作规程和中频电源使用说明书，并经过培训，方可操作本设备。 一．开机检查。开机前首先检查履带上是否有工具或其他物品，如果发现必须清理，以防发生机械事故。观察机械手的机械爪是否在履带内，如果机械爪在履带内，必须操作机械手使机械爪退出履带。开启中频冷却水，检查中频电源是否有漏水现象，如果发现有漏水现象必须采取措施，解决漏水问题，严防在漏水的情况下运行中频电源。检查感应线圈内烧结料的磨损情况，如果磨损到露出缠绕的绝缘材料，必须停止使用，用打结料修补后，方可使用，具体方法请按中频电源使用说明书中的要求进行。 二．开机准备。首先观察伺服操作和中频操作面板上的旋钮是否处于正常位置，伺服操作和中频操作正常开机前的旋钮正确位置如下图所示：
如果发现操作面板上的旋钮没有处于正确位置，操作人员需把旋钮拧至正确位置，以防开机发生意外事故。开启中频电源的冷却水，打开定位光电开关的冷却气或冷却风机，以使其在加热过程中不至因温度过高而损坏或不正常工作，造成运行不正常。 三．开机运行。此中频加热机可单机或和机械手联机运行，不管采取哪种方式运行，初次运行必须调整定位光电开关的位置，调整好后也应在每次开机前检查，确认正确后方可运行，其调整方法后面将单独介绍，下面分别介绍其操作方法：1联机运行。联机运行时，联机、单机的扭子开关要指向联机位置，以使中频加热机和机械手互相控制，以防止
出现机械损坏，操作者一定要注意。然后按下中频电源操作面板上的绿色合闸按钮，开启主电源，按所需步进时间把计时器定好。询问机械手是否复位完毕，如果机械手复位完毕则将自动/手动扭子开关旋转至自动位置，此时伺服电机将按计时器的设定时间进行运转，将中频电源控制电源的扭子开关扭向开的位置，再将中频电源启动扭子开关也扭向开的位置，缓慢旋动调功电位器，将中频电压调至700-800V，然后将加热料依次放入履带链板的U型槽内进行加热。2单机运行。将联机、单机旋钮扭向单机位置，此时中频加热机将不再和机械手进行互相控制，可在机械手有故障或调整光电开关位置时使用，按动中频电源绿色启动按钮，启动主电源。其后操作为：将自动/手动按钮旋至自动位置，伺服电机按计时器设定步进时间运转，将中频电源的控制电源旋钮扭向开的位置，将中频电源的启动旋钮扭向开的位置，缓慢旋动调功电位器，将中频电压调至700-800V，将加热料放入履带内U型槽就可进行单独加热。在中频加热机运行时，操作人员必须认真观察加热料的延时，据此判断加热料的温度，调整调功电位器，已达到所需温度。 四停机。无论运行于何种方式，停机顺序：先将中频电源的调功电位器逆时针旋至底，把启动扭子开关扭至关的位置，再将控制电源的扭子开关扭至关的位置，关闭中频电源，将伺服电机的手动、自动旋钮扭至手动位置，最后按下中频
高效率开关电源设计实 例 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路的设计主要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。 采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器 应用 此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器()。 在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。 设计指标 输入电压范围： DC+10～+14V 输出电压： DC+ 额定输出电流： 过电流限制： 输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整：±1％ 最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值 输出功率： +*2A=(最大) 输入功率： Pout/估计效率=／= 功率开关损耗* 0．5= 续流二极管损耗：*= 输入平均电流 低输入电压时／10V= 高输入电压时：／14V=0．8A 估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为300kHz。
电力电子技术课程设计 题目中频加热电源主电路设计 学院 专业班级 学号 学生姓名 指导老师
目录 1 设计内容和设计要求 (3) 1.1 设计内容 1.2 设计要求 2 中频加热电源 (4) 2.1 中频加热电源基本原理 2.2 中频加热电源基本结构 3 整流电路的设计 (6) 3.1 整流电路的选择 3.2 三相桥式全控整流电路 3.3 整流电路参数计算 4 逆变电路的设计 (10) 4.1 逆变电路的选择 4.2逆变电路参数计算 5 保护电路的设计 (14) 5.1过电压保护 5.2 过电流保护 6 设计结果分析 (18) 6.1 仿真结果 6.2 主电路原理图 6.3 结果分析 7 设计心得体会 (23) 8 参考文献 (24)
1 设计内容和设计要求 1.1 设计内容 1) 额定中频电源输出功率PH=100kw，极限中频电源输出功率 P HM=1.1 P H=110kW； 2) 电源额定频率f =1kHz； 3) 逆变电路效率h=95% 4) 逆变电路功率因数：cosj =0.866，j =30o； 5) 整流电路最小控制角amin =15o； 6) 无整流变压器，电网线电压UL=380V； 7) 电网波动系数A=0.95～1.10。 1.2 设计要求 1) 画出中频感应加热电源主电路原理图； 2) 完成整流侧电参数计算； 3) 完成逆变侧电参数计算； 4) 利用仿真软件分析电路的工作过程； 5）编写设计说明书，设计小结。
2 中频加热电源 2.1 中频加热电源基本原理 感应加热利用导体处于交变的电磁场中产生感应电流，即涡流，所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺的要求，感应加热采用的电源的频率有工频（50HZ），中频（60-10000HZ），高频（高于10000HZ）。感应加热本身的物体必须是导体，感应加热能在被加热物体内部直接生热，因而热效率高，升温速度快，容易实现整体均匀加热或局部加热。 感应加热利用交流电建立交变磁场涡流对金属工件进行感应加热，基本工作原理如图1，A为感应线圈，B为被加热工件，若线圈A 中通以交流电流i1，则线圈A内产生随时间变化的磁场，置于交变磁场中的被加热工件B要产生感应电动势e2，形成涡流i2，这些涡流使金属工件发热，因此，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属工件，然后在金属工件内部转换成热能，感应线圈与被加热工件不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。
普传科技PI7800MF系列中频感应加热电源的应用 【前言】 普传科技股份有限公司根据冶金和石油行业特殊用途，基于公司产品研发战略，在成功开发冶金行业电磁搅拌器专用电源基础上，开发生产了新一代数字化控制高性能特殊电源——PI7800MF中频感应加热电源，主要应用领域有：金属熔炼、透热、钎焊、晶体生长、稀有金属加工及石油工业的感应电加热采油（稠油井的空心抽油杆电加热）、石油集输管道的感应加热等设备，还可以应用于集输管道加热和其它类型的中频电源相比，在结构、性能及可靠性方面，具有非常明显的优势，控制电路采用高性能专用32位DSP及大规模数字专用集成电路，IGBT/IPM功率器件，整流控制、逆变控制、功率调节、操作接口、保护等部分均集成在一块控制板上，调试、维护方便，可靠性提高，节能效果好。 在石油工业应用上，由于中频电源涡流感应加强,导致集肤效应更强,漏磁减少,因此电加热效果大大好于工频电源。该设备可替代现有的工频加热电源，节能效果达到30%以上，大大地降低了采油生产能源的消耗。本专用电源对电网没有污染，与同类产品相比，提高了电源的可靠性，减少了因停机造成的生产损失。 一、电源基本框图及原理 1.1 电路基本构成如下： TI DSP 1.2 原理：中频加热电源主电路为AC-DC-AC变频结构，由整流电路、滤波、逆变电路和保护电路组成。其工作原理是将三相50Hz工频交流电经过三相全控整流桥整流成电压可调的脉动直流，再通过电容将脉动的直流电滤波变成光滑平稳的直流电送到单相 逆变桥，最后通过逆变桥将直流电变成单相频率可调的中频交流电供给负载。采用三 相全控桥式整流电路，它的输出电压调节范围大，而移相控制角的变化范围小，有利于系统的自动调节，输出电压的脉动频率较高，可以减轻直流滤波环节的负担。 逆变电路是由全控器件IGBT构成的串联谐振式逆变器：核心部分逆变器由大功率
项目五中频感应加热电源 【学习目标】： 完成本项目的学习后，能够： 1．了解中频感应加热装置的基本原理及应用。 2．掌握中频感应加热装置的组成、各部分电路（三相桥式整流电路、触发电路、并联谐振逆变电路、保护电路）的工作原理。 3．掌握触发电路与主电路电压同步的概念以及实现同步的方法。 4．了解常用的中频感应加热装置的使用注意事项。 5．熟悉中频感应加热装置的安装、调试，简单的故障维修方法。 6．了解三相有源逆变电路工作原理及有源逆变电路的应用 【项目描述】：中频电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置，广泛应用在感应熔炼和感应加热的领域。图5-1是常见的感应加热装置。 【相关知识点】： 一、中频感应加热电源概述 1．感应加热的原理 （1）感应加热的基本原理 1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象， 并且提出了相应的理论解释。其内容为，当电路围绕的区 域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如 果闭合就会产生感应电流。电流的热效应可用来加热。 例如图5-2中两个线圈相互耦合在一起，在第一个线 圈中突然接通直流电流（即将图中开关S突然合上）或突
然切断电流（即将图中开关S突然打开），此时在第二个线圈所接的电流表中可以看出有某一方向或反方向的摆动。这种现象称为电磁感应现象，第二个线圈中的电流称为感应电流，第一个线圈称为感应线圈。若第一个线圈的开关S不断地接通和断开，则在第二个线圈中也将不断地感应出电流。每秒内通断次数越多（即通断频率越高），则感生电流将会越大。若第一个线圈中通以交流电流，则第二个线圈中也感应出交流电流。不论第二个线圈的匝数为多少，即使只有一匝也会感应出电流。如果第二个线圈的直径略小于第一个线圈的直径，并将它置于第一个线圈之内，则这种电磁感应现象更为明显，因为这时两个线圈耦合得更为紧密。如果在一个钢管上绕了感应线圈，钢管可以看作有一匝直接短接的第二线圈。当感应线圈内通以交流电流时，在钢管中将感应出电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。平常在50Hz的交流电流下，这种感生电流不是很大，所产生的热量使钢管温度略有升高，不足以使钢管加热到热加工所需温度（常为1200℃左右）。如果增大电流和提高频率（相当于提高了开关S的通断频率）都可以增加发热效果，则钢管温度就会升高。控制感应线圈内电流的大小和频率，可以将钢管加热到所需温度进行各种热加工。所以感应电源通常需要输出高频大电流。 利用高频电源来加热通常有两种方法： ①电介质加热：利用高频电压（比如微波炉加热等） ②感应加热：利用高频电流（比如密封包装等） 1）电介质加热（dielectric heating） 电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材、橡胶等。微波炉就是利用这个原理。原理如图5-3.： 图5-3电介质加热示意图 当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产 生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中， 介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转 或振动，从而产生热量，达到加热效果。 2）感应加热（induction heating） 感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变
摘要：详细介绍了一个带有中间抽头高频大功率变压器设计过程和计算方法，以及要注意问题。根据开关电源变换器性能指标设计出变压器经过在实际电路中测试和验证，效率高、干扰小，表现了优良电气特性。关键词：开关电源变压器；磁芯选择；磁感应强度；趋肤效应；中间抽头 0 引言 随着电子技术和信息技术飞速发展，开关电源SMPS(switch mode power supply)作为各种电子设备、信息设备电源部分，更加要求效率高、成本小、体积小、重量轻、具有可移动性和能够模块化。变压器作为开关电源必不可少磁性元件，对其进行合理优化设计显得非常重要。在高频开关电源设计中，真止难以把握是磁路部分设计，开关电源变压器作为磁路部分核心元件，不但需要满足上述要求，还要求它性能高，对外界干扰小。由于它复杂性，对其设计一、两次往往不容易成功，一般需要多次计算和反复试验。因此，要提高设计效果，设汁者必须有较高理论知识和丰富实践经验。 1 开关电源变换器性能指标 开关电源变换器部分原理图如图1所示。 PCbfans提示请看下图: 其主要技术参数如下： 电路形式半桥式； 整流形式全波整流； 工作频率f=38kHz； 变换器输入直流电压Ui=310V； 1
变换器输出直流电压Ub=14.7V； 输出电流Io=25A； 工作脉冲占空度D=0.25～O.85； 转换效率η≥85％； 变压器允许温升△τ=50℃； 变换器散热方式风冷； 工作环境温度t=45℃～85℃。 2 变压器磁芯选择以及工作磁感应强度确定 2.1 变压器磁芯选择 目前，高频开关电源变压器所用磁芯材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。这些材料中，坡莫合金价格最高，从降低电源产品成本方面来考虑不宜采用。非晶合金和超微晶材料饱和磁感应强度虽然高，但在假定测试频率和整个磁通密度测试范围内，它们呈现铁损最高，因此，受到高功率密度和高效率制约，它们也不宜采用。虽然铁氧体材料损耗比坡莫合金大些，饱和磁感应强度也比非晶合金和超微晶材料低，但铁氧体材料价格便宜，可以做成多种几何形状铁芯。对于大功率、低漏磁变压器设计，用E-E型铁氧体铁芯制成变压器是最符合其要求，而且E-E型铁芯很容易用铁氧体材料制作。所以，综合来考虑，变换器变压器磁芯选择功率铁氧体材料，E-E型。 2.2 工作磁感应强度确定 工作磁感应强度Bm是开关电源变压器设计中一个重要指标，它与磁芯结构形式、材料性能、工作频率及输出功率因素有关关。若工作磁感应强度选择太低，则变压器体积重量增加，匝数增加，分布参数性能恶化；若工作磁感应强度选择过高，则变压器温升高，磁芯容易饱和，工作状态不稳定。一般情况下，开关电源变压器Bm值应选在比饱和磁通密度Bs低一些，对于铁氧体材料，工作磁感应强度选取一般在0.16T 到0.3T之间。在本设计中，根据特定工作频率、温升、工作环境等因素，把工作磁感应强度定在0.2 T。 3 变压器主要设计参数计算 3.1 变压器计算功率 开关电源变压器工作时对磁芯所需功率容量即为变压器计算功率，其大小取决于变压器输出功率和整流电路形式。变换器输出电路为全波整流，因此 2
PI7800MF 系列中频感应加热电源 大连普传科技股份有限公司 深圳市普传科技有限公司 企划部/工程部 https://www.doczj.com/doc/9d4925016.html, 第一部分感应加热与变频电源
普传科技变频技术应用系列—中频电源 一、基本原理 1、集肤效应及感应加热 1.1集肤效应：当交流电流通过导线时,在导线周围产生交变的磁场，处在交变磁 场中的整块导体的内部会产生感应电流，由于这种感应电流在整块导体内部自成闭合回路，形似水的旋涡，称做涡流。 在直流电路内，均匀导线的横截面上的电流密度是均匀的，而当交流电通过导线时，由于交变磁场的作用，在导线截面上各处电流分布不均匀，中心处电流密度小，而越靠 近表面电流密度越大，这种电流分布不均匀的现象称为集肤效应(也称趋肤效应)。交 流电的频率越高，则集肤深度越深，同时其交流阻抗也变大，因此在相同数值的电流作 用下，负载所获得的能量也越高，而电流及线路损耗相应地也会变小，从而提高了加热 效率，同时还可起到节约电能的目的。变频加热电源正是基于这一原理，利用变频技术，可将运行频率提高到工频的数倍，加热效果会明显提高。 1.2感应加热：1831 年法拉第发现电磁感应规律、1868 年福考特提出涡流理论、1840 年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式Q=I2Rt，构成感应加热之理论基础。 交变的电流产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。感应 加热的加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热。随着电力电子技术 的不断成熟，感应加热技术得到了迅速发展。 在金属加工上，感应加热热处理用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这 种热处理工艺常用于表面淬火、局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。 将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生 交变磁场，交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流，感应电流在工件截 面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小,工件表层高密度电流的 电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内 部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却， 即可实现表面淬火。 2、感应加热的作用及应用 感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺，其加热效率高、速度快、可控 性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产 过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可 缺少的技术手段。如表 1 所列。 感应加热的广泛应用，究其原因，主要是它本身相对于别的加热方式所具有的一些 独特性。 1）加热速度快，可节能。感应加热是从金属内部，透入深度层开始加热，大大节 省了热传导时间。其它加热是从外到内，导热时间长。据实验，加热同一坯料到一定温度，感应加热只需火焰炉加热时间的1/10。 2）加热温度高，是非接触式的电磁感应加热。 3）可进行局部加热，容易控制加热部位。被加热产品质量稳定，加热工件的质量 再现性与重复性好，各种参数容易控制。 4）控制温度的精度高，可保证温差在±0.5%～1%范围内。 5）感应加热的热效率高，一般可达50%-70%，而火焰炉的热效率一般只有30%左右。 6）容易实现自动化控制。
ZD系列中频感应加热电源说明书 一、概述 ZD系列中频加热电源是江苏油田工程院的专利产品。（专利号为97220550. 0） ZD系列中频加热电源应用了现代电力电子技术，重量轻，效率高，具有过流、短路等自动保护功能，并且输出功率由温度控制传感器进行自动调节。采用该中频电源的电加热系统通过对输出电压和频率的调节，可以对最大加热长度范围内的任意长度的负载进行加热，具有使用寿命长，效率高，体积小、重量轻等优点。ZD系列中频加热电源可以应用于地面集输管线感应加热和井下空心抽油杆加热。 二、工作原理 中频电源首先将三相380V交流电整流成直流电，并滤波。然后再运用电力电子器件IGBT，把直流电逆变成频率和占空比连续可调的单相中频交流电。最后通过隔离变压器，将单相中频交流电输送给加热负载。 三、型号说明 Z D －□ 额定容量（kVA） 电源 中频 四、使用条件 1、环境温度：－15℃～＋40℃ 2、空气相对湿度不大于90％
3、使用场所无严重的振动，周围环境无灰尘、腐蚀性气体 4、输入电压：三相四线交流电50Hz，380V±10％，机壳接零 五、技术数据（仅供参考） 型号 ZD-10 ZD-20 ZD-35 ZD-50 额定容量 10kVA 20kVA 35kVA 50kVA 输入电压 380V±10％ 380V±10％ 380V±10％ 380V±10％ 输入电流 5～15A 10～30A 15～55A 20～75A 输出电压 0～240V 0～300V 0～400V 0～500V 装置重量 50kg 80kg 110kg 150kg 加热长度＜200米＜400米＜700米＜1000米 六、安装方法 1、中频感应加热电源与油井的距离R≥15m，对轻烃气含量高的油井要求R≥20 m。 2、中频感应加热电源室内安装时，电源装置左右两侧对墙体的距离应≥1m，电源装置后面对墙体的距离应≥0.5m，不得倾斜。 3、中频感应加热电源室外安装时，应放置在一个相应的防雨外壳内，防雨外壳上下通风，不得倾斜，防雨外壳对其它设备的距离应≥1m。 4、中频电源上部接线柱用四芯铜电缆外接三相380V电网，电源装置机壳用接地线可靠接地； 5、中频电源下部的两个接线柱用单芯铜电缆分别引至加热负载； 中频电源型号四芯输入铜电缆规格接地线规格 相线零线 ZD-10 4 mm2 2.5 mm2 2.5 mm2 ZD-20 6 mm2 4 mm2 4 mm2 ZD-35 10 mm2 6 mm2 6 mm2 ZD-50 16 mm2 10 mm2 10 mm2
经典LED驱动电源参考设计大集锦（内含设计原理图、实际案例分析） PI公司的众多LED驱动电源解决方案中，高效率、低功耗，外围简单、可调光、高稳定性是最大的特点，涉及工业、商业、家用等应用领域。不管是应客户需求设计，还是按相关标准设计，还是基于对行业发展趋势把握所做的前瞻性设计，都同样的出色，其方案、设计、想法具有行业指引性。 其众多的驱动电源参考设计中蕴含很多电源基本理论,就算不用其公司的IC也可以作为设计参考，对工程师有超强的指导意义。 1.开关电源设计软件- PI Expert? 操作/设计指南 PI Expert可提供构建和测试工作原型所需的所有必要信息。这些信息包括完整的交互式电路原理图、物料清单(BOM)、电路板布局建议以及详细的电气参数表。PI Expert还可提供完整的变压器设计，包括磁芯尺寸、线圈圈数、适当的线材规格以及每个绕组所用的并绕线数。此外，还可生成详细的绕组机械装配说明。该程序可以将设计时间从数天缩短至几分钟。 2.采用LYTSwitch的带功率因数校正(PFC)的23 W T8电源设计 适用于430 mA V (50 V) T8灯管的隔离式、低输入电压、超薄驱动器设计(DER-338)现已推出。这款新设计采用了PI新推出的LYTSwitch? LED驱动器系列器件LYT4215E。 3.一款高功率因数、可控硅调光的非隔离LED驱动器 PI推出了一份新的设计报告((DER-364)，介绍的是一款使用广受好评的LYTSwitch IC设计的高功率因数、可控硅调光的非隔离LED驱动器。其效率额定值高达85%以上，具有无闪烁调光和单向快速启动(<200 ms)的特性。 4.针对T10灯管的最新24 W LED驱动器设计 PI的一款效率达92%的24 W T10灯LED驱动器设计(DER-356)。该设计可极大简化离线式、带功率因数校正的LED电源的生产。 5.适用于可控硅调光A19灯的全新10 W PFC LED驱动器设计 PI发布的关于针对可调光A19灯的全新10 W驱动器设计(DER-328) 6.元件数最少的T8灯管LED驱动器设计–高效率、低THD PI现已推出DER-345–一款针对T8 LED灯的低输入电压、非隔离、高效率、高功率因数LED驱动器设计。 7.适用于A19替换灯的14.5 W可控硅调光的非隔离LED驱动器 Power Integrations的LED设计(DER-341) –适用于A19 LED灯的非隔离式、高效率、高功率因数(PF) LED驱动器。这款新的LED驱动器采用LinkSwitch-PH系列IC中的LNK407EG器件设计而成。
电源设计经典案例集锦(TI内部培训资料) 电源设计经典案例集锦是TI（德州仪器）公司针对电源设计全面、系统、权威的内部培训资料，旨在通过从原理到应用全面、系统的讲解电源设计方面的知识，从而帮助电源设计工程师尽快入门并精通，相信对电源设计的工程师会非常有帮助。 电源设计必杀技：TI公司最系统的电源设计培训资料 电源设计经典案例集锦1：为您的电源选择正确的工作频率 为电源选择最佳的工作频率是一个复杂的权衡过程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常来说，低频率设计往往是最为高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。虽然调高频率可以缩小尺寸并降低成本，但会增加电路损耗。该《电源设计经典案例集锦》将使用一款简单的降压电源来描述这些权衡过程。 电源设计经典案例集锦2：小心别被电感磁芯损耗烫伤 您是否有过为降压稳压器充电、进行满功率测试，随后在进行电感指端温度测试时留下了永久（烫伤）印记的经历呢？或许过高的磁芯损耗和交流绕组损耗就是罪魁祸首。在100-kHz 开关频率下，一般不会出现任何问题，这是因为磁芯损耗约占总电感损耗的5% 到10%。因此，相应的温升才是问题所在，跟随本《电源设计经典案例集锦》去挖掘吧！ 电源设计经典案例集锦3：低成本、高性能LED驱动器 随着LED 生产成本的下降，LED 在各种应用中的使用率越来越高，其中包括手持设备、车载以及建筑照明。其高可靠性（使用寿命超过50000 小时）、高效率（175 流明/瓦）以及近乎瞬时的响应使其成为一种颇具吸引力的光源。但是，驱动LED 却是一项很具挑战性的工作。本《电源设计经典案例集锦》带你一起去领略一下低成本、高性能的LED驱动器的设计以及不同的调光策略哦 电源设计经典案例集锦4：改善负载瞬态响应—第2部分 这篇《电源设计经典案例集锦》介绍如何使用TL431分路稳压器关闭隔离电源的反馈环路，但是本文着重讨论了一种扩展电源控制环路带宽以改善瞬态负载及线路响应的方法。您可能必须要参考原文来继续这一讨论哦。 电源设计经典案例集锦5：高频导体的电流分布 随着频率增加，导体的电流分布会急剧变化。在自由空间中，相比扁平导体，圆形导体在高频下电阻更低。但是，同接地层一起使用时，或者其位于携带返回电流的导体附近时，扁平导体则更佳。本《电源设计经典案例集锦》就将研究自由空间及缠绕结构中导体的有效电阻！
摘要 本文以感应加热为研究对象，简要介绍了感应加热的基本原理和特点，阐述了感应加热技术的现状及其发展趋势。本文主要研究了感应加热器的设计方法。感应加热器是利用工件中的涡流的焦耳效应将工件加热，这种加热方式具有效率高、控制精确、污染少等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置感应线圈的参数使之满足被加热工件中性能要求普遍关注的问题。 传统的设计方法是利用线圈在整个电路中的等效电阻地位，利用一系列电磁学公式计算出线圈的性能参数。然而这种基于实验的系统设计方法却耗时费力，并且测量成本高。因此，近似模拟方法对于感应加热器的设计和研究具有重要意义。 本文的主要工作是建立感应加热器的近似设计方法。从感应加热理论的一系列经过实验数据修正过的理论曲线为依据，根据工艺要求得出相关物理参数，并通过计算得到感应器的设计参数。 关键词： 第一章绪论 1.1 国内外感应加热的发展与现状 随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的性能和质量除材料成分特新外，更与其加热技术密不可分。例如，加热速度的快慢不仅影响生产效率而且影响产品的氧化程度，局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。由于感应加热具有热效率高，便于控制等优点，目前在金属材料加工，处理等方面得到广泛应用。 在工业发达国家，感应加热研究起步较早，应用也更为广泛。1890年瑞士技术人员发明了第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉，1916年美国人发明了闭槽式有芯炉，感应加热技术开始进入实用化阶段。1966年，瑞士和西德开始利用可控硅半导体器件研制感应加热装置。从此感应加热技术开始飞速发展，并且被广泛用于生产活动中。 在我国，感应加热技术起步比较晚，与世界发达国家相比存在较大的差距。直到80年代
晶闸管中频感应加热电源是利用晶闸管将三相工频交流电能变换成几百或几千赫兹的 单相交流电能。具有控制方便、效率高、运行可靠、劳动强度低的特点，广泛用于铸钢、不锈钢或合金钢的冶炼、真空冶炼、锻件的加热和钢管的弯曲、挤压成型、工件 的预热、钢件表面淬火、退火热处理、金属零件的焊接、粉末冶金、输送高温工质的 管道加热、晶体的生长等不同场合。在我厂，中频电源装置主要用于铸钢、不锈钢和 青铜等的冶炼。 中频电源的工作原理为：采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定 频率（一般为1000至8000Hz）的单相中频电流。负载由感应线圈和补偿电容器组成，连接成并联谐振电路。 一般情况下，可以把中频电源的故障按照故障现象分为完全不能起动和起动后不 能正常工作两大类。作为一般的原则，当出现故障后，应在断电的情况下对整个系统 作全面检查，它包括以下几个方面： （一）电源：用万用表测一下主电路开关（接触器）和控制保险丝后面是否有电，这将排除这些元件断路的可能性。 （二）整流器：整流器采用三相全控桥式整流电路，它包括六个快速熔断器、六 个晶闸管、六个脉冲变压器和一个续流二极管。在快速熔断器上有一个红色的指示器，正常时指示器缩在外壳里边，当快熔烧断后它将弹出，有些快熔的指示器较紧，当快 熔烧断后，它会卡在里面，所以为可靠起见，可以用万用表通断档测一下快熔，以判 断它是否烧断。 测量晶闸管的简单方法是用万用表电阻挡（200Ω挡）测一下其阴极—阳极、门极—阴极电阻，测量时晶闸管不用取下来。正常情况下，阳极—阴极间电阻应为无穷大，门极—阴极电阻应在10—50Ω之间，过大或过小都表明这只晶闸管门极失效，它将不能被触发导通。 脉冲变压器次边接在晶闸管上，原边接在主控板上，用万用表测量原边电阻约为50Ω。续流二极管一般不容易出现故障，检查时用万用表二极管挡测其二端，正向时 万用表显示结压降约有500mV，反向不通。 （三）逆变器：逆变器包括四只快速晶闸管和四只脉冲变压器，可以按上述方法 检查。
DCDC设计实例 一．题目 设计一个PWM开关稳压电源。 要求 ： 输入电压 1-2 V 升压 5-20V 二．设计方案 方案1： 实验原理 开关稳压电源原理如图 和串联反馈式稳压电路相比，电路增加了LC滤波电路以及产生固定频率的三角波电压发生器和比较其组成的控制电路。Vi为整流滤波电路输出电压，Vb为比较器输出电压。Vb>0时，三极管饱和导通，二极管D截止，电感储能，电容充电，。而Vb<0时，三极管截止，滤波电感产生自感电势，二极管导通，于是电感中储存的能量向负载释放。输出电压Vo位Vo=qV1,q为脉冲波形的占空比，故称脉宽调制开关稳压电源。
当Vf>Vref时，比较放大器输出电压Va为负值，Va与固定频率三角波电压Vt 相比较，得到Vb的的方波波型，其占孔比q<50%,使输出电压下降到预定的稳压值。同理，V1下降，Vo也下降，Vf 方案2： DC/DC变换器的基本类型 开关电源是进行交流/直流、直流/直流，直流/交流的功率变换的电源，其核心部分就是DC/DC变换器。其工作原理：控制通/断电时间比可以改变的电子开关元件，将直流电能变换为脉冲状交流电能，然后通过储能元件或变压器对脉冲交流电能的幅度按人们的要求做必要的变换，再经平滑滤波器变为直流。升压型变换器 如图表1，当开关管VT导通时，电流经电感L和开关管入地，电感上的电压降左端为正，右端为负，随着电流的增大，储存于电感中的磁能增大；当开关管截止时，电感上的电压调转极性，左端为负，右端为正，二极管导通，电流对电容C充电。可见，输出电压UO高于输入电压UI。在VT导通，VD截止期，负载上的电流是有电容放电维持的。 在开关管和二极管导通时的电压降远比输入的电压小时，则在VT导通期间 ILMAX=ILMIN+UI/L*ton 在VT截止期间 ILMIN=ILMAX－（UO－UI）/L*toff 由以上二式可得 UO=UI(ton-toff)/toff=1/(1-D)*UI 晶闸管中频感应加热电源常见故障的检查 晶闸管中频感应加热电源是利用晶闸管将三相工频交流电能变换成几百或几千赫兹的单相交流电能。具有控制方便、效率高、运行可靠、劳动强度低的特点，广泛用于铸钢、不锈钢或合金钢的冶炼、真空冶炼、锻件的加热和钢管的弯曲、挤压成型、工件的预热、钢件表面淬火、退火热处理、金属零件的焊接、粉末冶金、输送高温工质的管道加热、晶体的生长等不同场合。在我厂，中频电源装置主要用于铸钢、不锈钢和青铜等的冶炼。 中频电源的工作原理为：采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定频率（一般为1000至8000Hz）的单相中频电流。负载由感应线圈和补偿电容器组成，连接成并联谐振电路。 一般情况下，可以把中频电源的故障按照故障现象分为完全不能起动和起动后不能正常工作两大类。作为一般的原则，当出现故障后，应在断电的情况下对整个系统作全面检查，它包括以下几个方面： （一）电源：用万用表测一下主电路开关（接触器）和控制保险丝后面是否有电，这将排除这些元件断路的可能性。 （二）整流器：整流器采用三相全控桥式整流电路，它包括六个快速熔断器、六个晶闸管、六个脉冲变压器和一个续流二极管。在快速熔断器上有一个红色的指示器，正常时指示器缩在外壳里边，当快熔烧断后它将弹出，有些快熔的指示器较紧，当快熔烧断后，它会卡在里面，所以为可靠起见，可以用万用表通断档测一下快熔，以判断它是否烧断。 测量晶闸管的简单方法是用万用表电阻挡（200Ω挡）测一下其阴极—阳极、门极—阴极电阻，测量时晶闸管不用取下来。正常情况下，阳极—阴极间电阻应为无穷大，门极—阴极电阻应在10—50Ω之间，过大或过小都表明这只晶闸管门极失效，它将不能被触发导通。 脉冲变压器次边接在晶闸管上，原边接在主控板上，用万用表测量原边电阻约为50Ω。续流二极管一般不容易出现故障，检查时用万用表二极管挡测其二端，正向时万用表显示结压降约有500mV，反向不通。 （三）逆变器：逆变器包括四只快速晶闸管和四只脉冲变压器，可以按上述方法检查。 （四）变压器：每个变压器的每个绕组都应该是通的，一般原边阻值约有几十欧姆，次极几欧姆。应该注意：中频电压互感器的原边与负载并联，所以其电阻值为零。 （五）电容器：与负载并联的电热电容器可能被击穿，电容器一般分组安装在电容器架上，检查时应先确定被击穿电容器所在的组。断开每组电容器的汇流母排与主汇流排之间的连接点，测量每组电容器两个汇流排间的电阻，正常时应为无穷大。确认坏的组后，再断开每台电热电容器引至汇流排的软铜皮，逐台检查即可找到击穿的电容器。每台电热电容器由四个芯子组成，外壳为一极，另一极分别通过四个绝缘子引到端盖上，一般只会有一个芯子被击穿，跳开这个绝缘子上的引线，这台电容器可以继续使用，其容量是原来的3/4。电容器的另一个故障是漏油，一般不影响使用，但要注意防火。 安装电容器的角钢与电容器架是绝缘的，如果绝缘击穿将使主回路接地，测量电容器外壳引线和电容器架之间的电阻，可以判断这部分的绝缘状况。 （六）水冷电缆：水冷电缆的作用是连接中频电源和感应线圈，它是用每根直径Φ0.6–Ф0.8紫铜线绞合而成。对于500公斤电炉，电缆截面积为480平方毫米，对于250公斤电炉，电缆截面积采用300至400平方毫米。水冷电缆外胶管采用耐压5公斤的压力橡胶管，里面通以冷却水，它是负载回路的一部分，工作时受到拉力和扭力，与炉体一起倾动晶闸管中频感应加热电源常见故障的检查
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