电工技术学报
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2018年 33卷 12期
刊出日期:2018-06-25

交流电机的无传感器控制技术专题
电工理论
电力电子
电力系统
高电压与绝缘
   
 交流电机的无传感器控制技术专题
基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制技术综述
李浩源, 张兴, 杨淑英, 李二磊
无传感器控制技术有利于改善永磁同步电机驱动系统的可靠性,降低系统成本,已经成为交流电机传动领域的一项热门及前沿技术。高频注入法利用电机的凸极特性估计转子位置,不依赖电机反电动势模型,非常适合永磁同步电机零速及低速运行。针对高频电压信号注入法进行调研和整理归纳,并将这些方法总结为传统的高频正弦波注入法、改进的高频正弦波注入法和高频非正弦波注入法三类。首先,分别介绍每类方法中的典型实施方案,并指出各个方案的优缺点;其次,针对三类方法的异同点进行分析比较;最后,对基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制技术的发展趋势进行展望。
2018 33 (12): 2653-2664.  摘要 (  3 )   PDF (325 KB)   ( 3 )
真空干泵用屏蔽电机无速度传感器带速重投控制系统
安跃军, 张志恒, 张振厚, 王光玉, 孔祥玲
针对真空干泵用屏蔽电机带速重投的工程问题,设计基于正弦脉宽调制(SPWM)的调制波模拟器和无速度传感器带速重投系统。该系统将定子绕组空间划分为6pp为极对数)个扇区,提出利用标准化后的三相定子残压计算扇区内平均转速的方法,同时对电机定子坐标系进行修正,使定子电流空间矢量轨迹接近于理想圆形,抑制重投时电流冲击、转矩脉动和转速波动。设计调制波模拟器,与变频器内部的调制波模块协同完成电机预重投及重投过程。通过模型仿真和22kW罗茨真空干泵机组实验,验证了该定子坐标系修正法及扇区内转速估算法在泵类工程中具有较好的适用性,预重投阶段的转速稳定时间控制在0.6s以内,重投阶段的冲击电流平均减小51.27%。
2018 33 (12): 2665-2675.  摘要 (  3 )   PDF (658 KB)   ( 4 )
基于双dq空间的永磁同步电机无位置传感器起动策略
刘计龙, 肖飞, 麦志勤, 张伟伟, 连传强
不依赖电机转子位置检测的永磁同步电机流频比控制(IF控制)是一种无位置传感器起动策略,但由IF控制到基于磁链观测器的无位置传感器控制的平滑切换算法比较复杂,且切换瞬间非常容易引起电流的短时高频振荡。针对这一问题,提出一种基于双dq空间的永磁同步电机无位置传感器起动策略,分别在虚拟同步坐标系和转子同步坐标系下建立两个dq空间,在两个dq空间下分别建立电机的状态变量和控制变量,将两种控制策略之间的切换转化为两个dq空间的切换。双dq空间对应同样的三相静止坐标系,从而实现IF控制向磁链估计法的无缝切换。给出了基于双dq空间无位置传感器控制的实验结果,验证了该起动策略的有效性。
2018 33 (12): 2676-2684.  摘要 (  5 )   PDF (398 KB)   ( 5 )
基于低阶串行双扩展卡尔曼滤波的永磁直线同步电机无速度传感器控制策略
孙兴法, 聂子玲, 朱俊杰, 韩一, 孙军
首先,基于三相永磁直线同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型,推导出系统的三阶状态方程,实现基于扩展卡尔曼滤波算法的动子速度估计;然后,分析传统扩展卡尔曼滤波算法的计算过程,针对其实时线性泰勒近似是在上一周期的最优估计处完成,因而具有一定滞后性的缺陷,提出一种低阶串行双扩展卡尔曼滤波算法,通过两个低阶扩展卡尔曼滤波算法串行执行,在当前周期的最优估计处完成泰勒近似,提高状态估计精度;最后,仿真和实验结果表明,提出的基于低阶串行双扩展卡尔曼滤波器的无速度传感器控制策略,相比于常规扩展卡尔曼滤波器无速度传感器控制方法具有更高的速度估计精度。
2018 33 (12): 2685-2694.  摘要 (  4 )   PDF (617 KB)   ( 5 )
考虑非观测区补偿的永磁同步电机单电阻采样重构
魏海峰, 陆彦如, 江廷宇, 李垣江, 储建华
为进一步实现永磁同步电机的低成本、小体积、高性能矢量控制,提出单电阻电流采样的三相电流重构技术。结合电机的驱动系统,研究单电阻电流采样的三相电流重构技术的原理,建立空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制不同电压矢量情况下母线电流与电机三相电流对应关系。定义非观测区所包括的区域,提出通过修改SVPWM的占空比对非观测区进行补偿,解决非观测区内无法重构相电流的问题。对比实验结果验证了所提单电阻电流采样技术的可靠性和有效性。
2018 33 (12): 2695-2702.  摘要 (  3 )   PDF (566 KB)   ( 4 )
三级式同步电机低速阶段无位置传感器起动控制高频信号注入法的对比
薛哗, 魏佳丹, 周波
针对航空三级式同步电机无位置传感器起动控制中通过主发电机直接注入高频信号引入的起动转矩波动、响应信息提取困难、易受扰动等问题,提出一种通过三级式同步电机的主励磁机间接注入高频信号的方法。从注入高频信号的频率特性、转子位置估计精度等方面,对比分析主励磁机定子侧注入高频信号和利用主励磁机三相交流励磁控制产生的6次谐波作为主发电机转子励磁绕组间接高频注入信号的方法,并给出利用三级式同步电机励磁电流建立过程估计转子初始位置的方法。实验结果表明,两种高频信号注入法在低速起动阶段皆具备良好的位置跟踪精度,采用主励磁机三相交流励磁产生6次谐波作为间接高频信号注入的方法更易实现,且具有更好的平均精度。
2018 33 (12): 2703-2712.  摘要 (  3 )   PDF (654 KB)   ( 2 )
基于无相移同步旋转滤波结构的绕组开放式发电系统无位置传感器控制
王子禹, 王宇, 耿亮, 肖文妍
绕组开放式多输入源发电系统具有结构简单、生产成本低等优点。为实现绕组开放式系统的无位置运行,提出一种基于无相移同步旋转滤波器法。通过对系统的电压电流关系分析,建立基于绕组开放式发电系统简化数学模型的滑模观测器。分析传统同步旋转滤波结构中低通滤波器产生的相位滞后,论证直接同步旋转滤波算法的误差迭代问题,再将经典锁相方法产生的位置角用于传统同步旋转滤波器中的坐标变换,直接对滑模观测器输出进行滤波,得到一种具有无相位延迟优点的同步旋转滤波新结构。最后在一台基于永磁磁通切换电机的绕组开放式发电系统样机上进行实验,验证了该方法的正确性与有效性。
2018 33 (12): 2713-2722.  摘要 (  1 )   PDF (514 KB)   ( 4 )
考虑饱和电感特性的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法
蔡辉, 王辉, 李孟秋, 沈仕其
针对开关磁阻电机重载运行下因饱和电感随电流变化而导致速度和位置估算不准确的问题,提出一种基于六个电感特殊位置点的开关磁阻电机转子位置估算方法,通过非导通相注入电压脉冲及导通相电流获取实时在线计算全周期增量电感信息并获得电感曲线,通过相邻两相电感大小判断输出交点位置角度,低电感区相邻两相电感交点受磁路饱和影响小,输出固定的角度分别为7.5°、22.5°和37.5°;高电感区相邻两相电感交点受磁路饱和影响大,采用5次多项式拟合方法获取交点角度与电流的函数关系,结合实际采样电流计算交点位置,由电感交点位置估算任意时刻电机转速及位置。最后,通过仿真和实验验证了在惯性运行、轻载、重载、负载突变和高速等运行工况下位置估算的正确性。
2018 33 (12): 2723-2734.  摘要 (  1 )   PDF (530 KB)   ( 4 )
 电工理论
无取向电工钢片旋转磁致伸缩的动态测量与分析
王园弟, 张艳丽, 张殿海, 任自艳, 谢德馨
无取向电工钢片旋转磁致伸缩的准确测量对减小电机铁心的振动研究具有重要意义。本文利用二维磁特性装置和玫花型电阻应变计开发了一台用于研究电工钢片旋转磁致伸缩特性的实验测试系统。讨论了应变计在样片尺寸及其粘贴位置的变化对测量结果的影响,分析了一个磁化周期内旋转磁致伸缩的动态特性,仿真计算了一台同步发电机铁心的磁致伸缩变形。研究表明,电工钢片旋转磁致伸缩特性大于交变磁化引起的磁致伸缩,而旋转磁化轨迹决定了旋转磁致伸缩的特性。
2018 33 (12): 2735-2741.  摘要 (  2 )   PDF (909 KB)   ( 4 )
非对称耦合线圈内阻与品质因数对传输功率与效率及其频率分裂的影响
李阳, 尹建斌, 杨庆新, 薛明, 刘哲, 张献
非对称耦合线圈使得谐振式无线电能传输系统设计更为复杂,尤其是由于非对称结构带来的参数变化对无线电能传输功率的频率分裂规律的影响存在不确定性,此问题已成为制约该技术进一步发展的瓶颈。针对上述问题建立非对称无线电能传输系统的传输模型,计算得到非对称系统接收功率与传输效率的表达式,同时通过理论分析探讨耦合线圈的内阻和品质因数对频率分裂的影响规律,最后搭建相应的实验系统,对理论分析的正确性进行实验验证。实验结果与理论分析具有较好的一致性,证明了所提方法与结论的正确性,为进一步研究基于非对称耦合线圈的谐振式无线电能传输系统的设计与优化提供了有益的参考。
2018 33 (12): 2742-2750.  摘要 (  1 )   PDF (441 KB)   ( 3 )
 电力电子
兆瓦级脉冲间歇整流装置热分析
徐尘, 付立军, 卢露
脉冲间歇整流装置多适用于短时大功率脉冲工作的应用场合,采用功率二极管或晶闸管作为其主功率器件。该装置在运行过程中产生的功率损耗将显著抬升器件结温,需合理设计散热系统以确保装置安全可靠运行,但针对该类装置的热分析方法却鲜见报道。以某型兆瓦级脉冲间歇整流装置为例,基于热电比拟关系,综合运用流体分析、暂态热分析、曲线拟合等手段,从功率单元热参数提取、换热器模型建立、热源计算等方面递进地为该装置进行热分析,建立全局热阻抗网络。所提出的全局热阻抗网络模型可对不同工况下器件结温、散热器温度等进行预测,装置出厂试验结果证明了该模型的有效性。
2018 33 (12): 2751-2757.  摘要 (  1 )   PDF (867 KB)   ( 3 )
一种抑制PWM整流器起动冲击电流的缓给定方法
刘博, 贲洪奇, 白银龙
传统的三相电压型PWM整流器常采用带有前馈解耦的电压电流双闭环PI控制方式,在该方式下数字控制相对简单且易于调节。但是在整流器起动过程中,由不控整流向PWM整流转换时,直流母线电压给定量是一个阶跃信号,导致母线电压迅速增加,产生冲击电流,使开关器件承受很大的电流应力,影响系统的安全与可靠性。为解决这一问题,在建立PWM整流系统数学模型基础上分析冲击电流的产生机理,提出从根本上抑制冲击电流的缓给定方法,仿真和实验结果验证了所提方法合理性和有效性。
2018 33 (12): 2758-2766.  摘要 (  2 )   PDF (647 KB)   ( 3 )
差接三角形12脉自耦变压整流器调压技术
姜帆, 葛红娟, 李男, 杨光, 周洁敏
针对多脉冲自耦变压整流器(ATRU)的调压技术进行研究,提出一种可调压的差接三角形拓扑结构,实现了宽范围电压输出。该结构自耦变压器一次侧中间抽头,合理设置一次侧三段式绕组匝数与二次绕组匝数比例以构成两组相位差为30°的三相输出电压相量,经两组整流桥后得到多脉冲输出直流。通过改变变压器绕组匝数关系可以达到调节输出电压的目的。以自耦变压器输入输出电压比为变量推导绕组匝比关系,并依此对输入电流和自耦变压器等效容量的计算进行进一步的推导和仿真证明,分析在不同电压比下的自耦变压器等效容量变化。最后通过制作一台原理样机进行实验,验证了设计分析的正确性。
2018 33 (12): 2767-2776.  摘要 (  2 )   PDF (761 KB)   ( 3 )
基于移相补偿的全桥LLC谐振变换器交错并联技术
赵清林, 刘会峰, 袁精, 崔高峰
LLC谐振变换器具有高频化、高效率和高功率密度的优点,近年来已被广泛应用。但由于电路本身的特点,输出电流纹波较大,需要多个输出滤波电容并联,这给系统的体积和应用场所带来了一定的限制。为解决这个问题,可采用交错并联技术,但是谐振元件参数存在的偏差,使得LLC谐振变换器并联时输出电流无法均分。为此提出一种适用于全桥LLC谐振变换器交错并联的均流控制方案,输出电压由脉冲频率调制(PFM)控制,因谐振元件参数偏差引起的负载不均流,由移相调制(PSM)补偿,并根据移相角的大小,动态调节两路LLC谐振变换器之间的交错角,进一步减小输出电流的纹波。在理论分析的基础上,设计并制作一台实验样机,实验结果验证了提出方法的可行性和有效性。
2018 33 (12): 2777-2787.  摘要 (  2 )   PDF (1503 KB)   ( 3 )
LCC谐振变换器电流输出特性研究与软开关实现
王德玉, 段元超, 高鹤, 王振春, 赵清林
高压充电变换器是电磁发射脉冲成型单元的重要组成部分,为储能电容提供高质量能源。为满足脉冲成型单元对充电速度、线性度和电压重频稳定度要求,对电流断续模式下LCC谐振变换器电流输出特性和软开关进行研究。提出基于数字控制器的脉冲电容储能方案,该方案利用双脉冲模式下的恒流输出特性实现快速线性充电;利用单脉冲模式下的涓流输出特性实现恒压充电,提高电容电压的重复稳定度。采用新的调宽调频控制算法,在全电压增益范围内,利用分段线性函数拟合法对临界断续开关频率进行在线跟踪,最大程度地提升变换器断续模式下的电流输出能力,获得近似恒流特性;提升充电速度的同时,实现全程软开关。通过变换等效电压增益,由恒流充电切入涓流充电,依靠电压闭环获得恒压输出。实验数据验证了控制算法的可行性。
2018 33 (12): 2788-2800.  摘要 (  1 )   PDF (1113 KB)   ( 2 )
多相电压调理模块的矩阵化多自由度耦合磁件
王磊, 郭瑞, 杨玉岗
应用于多相电压调理单元(VRM)集成电感的合理设计影响和决定着其稳态和暂态性能,优化电感耦合度可同步改善VRM的稳态输出纹波和动态输出响应。通过建立电路方程推演出多相VRM耦合电感的等效稳态与暂态电感,获得多相VRM集成电感耦合度的设计准则。提出一种基于模块化耦合电感概念、可多自由度组合、可变耦合度的矩阵化耦合磁件。分析电感可消除直流偏磁原理,推演出阵列化耦合磁件的单元拓扑集成原理及其耦合结构多自由度组合演化规格,并推导单元耦合电感匝比、磁阻比荷电感耦合系数的关系曲线,实现集成电感可变耦合度设计。设计四相阵列式耦合磁件并应用于VRM进行测试,实验结果验证了阵列式耦合磁件设计准则的正确性及实用性。
2018 33 (12): 2801-2811.  摘要 (  2 )   PDF (526 KB)   ( 3 )
适用于照明和可见光通信的宽输入电压范围的分段式LED驱动电路
陈怡, 张志义, 包宇刚
当照明与可见光通信(VLC)相结合时,LED及其驱动电路便获得了更宽广的应用舞台。适用于照明和可见光通信的LED驱动电路既需要满足电气照明标准又需要满足通信要求。本文以输入电压自适应的恒定功率照明为主体,提出局部归零开关键控(RZ-OOK)调制的LED电流控制方法,使分段式LED驱动电路在宽输入电压范围内兼具照明和可见光通信的功能。样机的实验测试结果表明:照明模式下,PF值和THD值都符合电气照明标准,而且输出功率可保持恒定;连续少帧VLC模式下,PF值和THD值也都符合电气照明标准,而且输出功率波动较小,适合照明和可见光通信两用;连续多帧VLC模式下,仅PF值符合电气照明标准,而且输出功率波动较大,更适合可见光通信的应用。
2018 33 (12): 2812-2820.  摘要 (  2 )   PDF (1326 KB)   ( 3 )
基于开关电容的软开关高电压增益DC-DC变换器
雷浩东, 郝瑞祥, 游小杰, 项鹏飞
提出一种基于开关电容的具有高电压增益和软开关特性的DC-DC变换器拓扑。该拓扑能够在非极端占空比条件下实现高电压增益,并具有类似于传统Boost变换器的PWM电压调节能力。通过谐振软开关技术,实现所有开关管的零电压开通和所有二极管的零电流关断,有利于提高变换器的效率和功率密度。变换器中开关管和二极管承受的电压应力低,允许选择低电压等级、低导通电阻的器件。详细分析变换器拓扑的基本工作原理,对变换器电压增益特性和软开关实现条件等稳态工作特性进行研究。最后,搭建一台输入25~40V、输出400V/1kW的实验样机,对理论分析进行实验验证。
2018 33 (12): 2821-2830.  摘要 (  1 )   PDF (847 KB)   ( 3 )
基于载波重构的级联逆变器功率均衡调制策略
许亚明, 陈仲, 那显龙, 孙健博
针对已有调制策略应用于级联H桥型(CHB)逆变器中时存在的不足,结合载波移相(CPS)和载波同相层叠(PD)调制策略的优点,提出一种基于载波重构的新型功率均衡调制策略。所提调制策略通过对改进的CPS调制策略中三角载波进行重构,得到一种仍然保留载波移相特征的新型载波排列方式,且采用新型载波排列方式进行调制,逆变器输出电压谐波特性与PD调制策略下的完全一致。因此,在所提的新型功率均衡调制策略下,可以实现级联单元输出功率自均衡,同时可以有效改善逆变器输出线电压谐波特性。本文以三单元级联H桥型逆变器为例研究载波重构方法,分析新型功率均衡调制策略原理及功率均衡所需时间,并通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和调制策略的可行性。
2018 33 (12): 2831-2840.  摘要 (  2 )   PDF (1398 KB)   ( 4 )
基于占空比补偿的三相双Buck并网逆变器电流过零畸变控制策略
陆依然, 肖岚, 王勤, 刘丹
与传统三相桥式逆变器相比,三相双Buck并网逆变器无需加入死区,可避免引入额外的电流低频谐波。通常采用半周期控制,但半周期控制会造成电感电流在过零附近出现断续,使并网电流发生过零畸变。在电流过零附近采用全周期控制可以抑制过零畸变,但会使过零处电感电流纹波增大,不利于电感的设计,而且会带来额外的损耗。分析半周期正弦脉宽调制(SPWM)控制的三相双Buck并网逆变器电流过零畸变的原因,改变半周期控制的切换条件,并提出采用占空比补偿的控制方法。详细推导出电感电流断续阶段的理想调制波函数,改变过零附近的占空比,使得电感电流平均值在断续阶段呈正弦变化,从而抑制并网电流的畸变,同时使整个系统的效率得到保障。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。
2018 33 (12): 2841-2849.  摘要 (  2 )   PDF (1349 KB)   ( 3 )
考虑不同调制策略的间接矩阵变换器输入电流谐波特性分析
梅杨, 陈丽莎, 王闪闪
为明确间接矩阵变换器(IMC)的输入电流谐波特性,进而抑制其输入谐波以改善网侧电能质量,利用变换器传递函数建立输入电流数学模型,确定其谐波组成,同时通过引入脉冲重心思想,综合考虑不同脉宽调制策略下脉冲幅值、宽度以及分布位置等特征,进一步分析明确输入电流谐波的主要频率成分及其含量。此外,在理论分析过程中发现了降低谐波频率成分的脉宽分布规律,即输出电压矢量脉宽比例对称分布。仿真和实验结果表明,根据所发现的脉宽比例对称分布原则,在采用双空间矢量调制(SVM)策略和两段式脉宽调制(PWM)策略时,输入电流中均主要含有输入频率的6n±1倍次谐波,而与输出频率无关。仿真和实验中测得的各次谐波含量符合理论分析结果,且随频率提高而衰减,证明了理论分析的有效性和正确性。
2018 33 (12): 2850-2860.  摘要 (  2 )   PDF (1166 KB)   ( 5 )
 电力系统
配电变压器集成式级联STATCOM原理与设计
陈玉, 文明浩, 尹项根, 雷二涛, 蔡宜君
配电网无功补偿能够有效减少电能损耗,提升供电质量,以配电变压器作为无功控制的节点充分利用配电变压器富余容量,提出一种与配电变压器相集成的级联静止无功发生器(STATCOM)装置。将级联型STATCOM通过Dyn11配电变压器高压侧三角形绕组抽头接入系统,研究通过抽头注入电流实现无功补偿的机理,分析注入电流对绕组电流分布的影响,充分利用变压器绕组的载流能力设计合理的接入点电压等级和补偿容量。针对配电变压器集成式级联STATCOM结构特点,提出改进的无功指令电流检测方法,采用非线性无源控制实现指令电流跟踪,提升控制系统的鲁棒性。仿真与实验结果验证了提出方案的有效性。
2018 33 (12): 2861-2872.  摘要 (  1 )   PDF (1462 KB)   ( 4 )
考虑核电可调度性的风-光-核-水-火多源协调短期优化调度
侯文庭, 韦化
提出一种考虑核电机组可调度性的多源协调短期优化调度模型。在已有的核电实际运行经验和大量仿真研究结果的基础上,分析核电的可调度性,即核电参与调峰的可行性,提出了核电的安全可调节域和运行约束,建立了核电调峰运行模型。基于核电运行特点,采用两阶段调度方法,预调度阶段确定核电机组的低功率运行时间,再调度阶段优化核电的调峰深度,最终得到核电参与调峰的最优运行方式。针对风电、光电出力的不确定性,采用鲁棒优化的方法始终保证调度决策的可行性。对丰水期和枯水期两种典型情况进行算例分析,结果表明所提模型在保证核电机组安全运行的同时兼顾了经济性,实现了对可再生能源的足额消纳,并有效协调了各类电源的发电空间,均衡了各方利益。
2018 33 (12): 2873-2882.  摘要 (  2 )   PDF (679 KB)   ( 3 )
 高电压与绝缘
SF6替代气体研究现状综述
张晓星, 田双双, 肖淞, 李祎
较高的温室效应使得六氟化硫(SF6)在气体绝缘设备中的使用受到限制,国内外学者致力于寻找可以替代SF6的环境友好型气体,并取得了相关的研究成果。常规气体、SF6混合气体和电负性气体及其混合气体等多种气体作为绝缘或灭弧介质表现出不同的优势,同时也存在一些劣势。总结目前研究的主要替代气体及取得的进展,并从理化性质、绝缘性能、灭弧特性以及机理研究等方面进行详细的归纳总结,分析不同替代气体在工程应用上的适用范围和局限性。在现有研究的基础上分析SF6替代气体当前的发展趋势和应用前景。
2018 33 (12): 2883-2893.  摘要 (  2 )   PDF (409 KB)   ( 2 )
12kV固体绝缘开关柜缘气隙缺陷的放电特征
聂一雄, 徐卫东, 周文文, 彭, 丹
为获取12kV固体绝缘开关柜内部绝缘材料中气隙放电特征,搭建12kV固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷放电试验平台,测量气隙放电在不同电压幅值、不同气隙直径以及不同谐波频率下的局部放电信号。提取并分析气隙缺陷在不同电压幅值下局部放电三维特征图谱,比较不同频率下气隙缺陷放电在正、负半周期内的局部放电差异。研究结果表明,固体绝缘开关柜内部绝缘材料在有气隙缺陷情况下,不同的电压幅值会影响放电量大小与放电次数;谐波频率越高,每周期的放电次数越多,但正、负半周的单次最大放电总量维持在一定的水平,不会出现较大的波动;绝缘介质的气隙直径越大,放电次数越少,每次放电的放电量越大,危害越严重。据此获得的不同试验条件下的三维图,可用于固体绝缘开关柜气隙缺陷放电的模式识别,也有助于对固体绝缘开关柜内部绝缘材料缺陷放电提供理论指导。
2018 33 (12): 2894-2902.  摘要 (  1 )   PDF (551 KB)   ( 3 )
       
 
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