(57)【要約】【課題】本発明は、比較的簡単な制御手段により、電力変換装置が発生するサージ電圧が電動機絶縁へ与える影響を軽減するようにした電力変換装置を提供する。【解決手段】キャリア波を生成するキャリア発生回路４と、速度基準Ｓｒが与えられ、電動機７の速度信号Ｓｆと比較して三相電圧基準Ｖｒを作り出す制御回路３と、この三相電圧基準Ｖｒを受け、線間電圧に印加されるパルス幅が一定の値以下にならないようにした補正三相電圧基準Ｖｃを得る演算手段を持つ線間電圧リミット処理回路８と、前記補正三相電圧基準と前記キャリア波を比較して素子ゲートパルス指令Ｇｐを生成するコンパレータ５とで構成される制御手段を設け、コンパレータ５の出力で電力変換装置のインバータ２のスイッチング素子６に点弧パルスを供給する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの内部スイッチング素子を制御する制御部と
から構成され、
前記制御部は、
キャリア波を生成するキャリア発生手段と、
三相電圧基準を作り出す基準生成手段と、
この基準生成手段による三相電圧基準を受け、線間電圧に印加されるパルス幅が一定の値以下にならないような補正三相電圧基準を得る演算手段を備えた線間電圧リミット処理手段と、
前記補正三相電圧基準と前記キャリア波を比較して前記スイッチング素子へのゲートパルス指令を生成するコンパレータとを
備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記演算手段を、前記三相電圧基準のうち電圧基準が中間の値である中間相を基準とし、この中間相と同符号な電圧基準を持つ同符号相に対して絶対値が小さくなる方向へ電圧マージンを加算し、この加算結果と前記中間相の電圧基準を比較し、前記中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合には、前記加算結果を前記中間相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記演算手段を、前記三相電圧基準のうち電圧基準が中間の値である中間相を基準とし、この中間相の絶対値が大きくなる方向へ電圧マージンを加算し、この中間相と同符号な電圧基準を持つ同符号相の電圧基準と前記加算結果を比較し、この中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも小さい場合には、前記加算結果を同符号相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記演算手段を、前記三相電圧基準のうち任意の一相を基準相とし、前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が最大である場合には、前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である中間相に対して絶対値が小さくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である最小相の電圧基準値と前記加算結果を比較し、前記最小相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合は前記加算結果を最小相の補正電圧基準とし、また、
前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である場合には、前記基準相に対して絶対値が大きくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である中間相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも小さい場合は前記加算結果を中間相の補正電圧基準とし、また、
前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である場合には、前記基準相に対して絶対値が小さくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である最小相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記最小相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合は前記加算結果を最小相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記演算手段を、三相電圧基準のうち任意の一相を基準相とし、前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が最大である場合には、前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である中間相に対して絶対値が大きくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である最小相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記最小相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも小さい場合は前記加算結果を残り一相の補正電圧基準とし、また、
前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である場合には、前記基準相に対して絶対値が大きくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である中間相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記中間相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも小さい場合は前記加算結果を中間相の補正電圧基準とし、また、
前記基準相が前記三相電圧基準のうち絶対値が中間である場合には、前記基準相に対して絶対値が小さくなる方向に電圧マージンを加算し、前記三相電圧基準のうち絶対値が最小である最小相の電圧基準と前記加算結果を比較し、前記最小相の電圧基準の絶対値が前記加算結果の絶対値よりも大きい場合は前記加算結果を最小相の補正電圧基準とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置に係り、特に電力変換装置が発生するサージ電圧による負荷への影響を軽減するようにした電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インバータ装置のＰＷＭ制御技術の進歩は目覚しく、これを用いて電動機を駆動することは当たり前のごとく行われるようになってきた。しかしながら、いわゆる電圧型と呼ばれるインバータ装置は、スイッチング素子のオン・オフを行う度に出力にサージ電圧が発生し、電動機の絶縁を脅かすという問題も顕在化してきている。
【０００３】
インバータ装置のＰＷＭ波形を得る場合、得ようとする相電圧波形に対応した三相電圧基準が一般的に用いられ、この三相電圧基準とキャリア波とを比較してスイッチング素子の点弧パルスを得ている。図１０はこの三相電圧基準の波形を示したものである。いま、図１０に破線で示した領域、すなわち、Ｕ相電圧基準とＶ相電圧基準の差が０となる近傍における点弧パルスを考えると、Ｕ相素子点弧パルス波形、Ｖ相素子点弧パルス波形、およびそのとき負荷７に印加される線間電圧パルス波形はそれぞれ図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）に示すようになる。
【０００４】
ところで任意の二つの相電圧基準値の差が０近傍の場合、図１１（ｃ）の中央部に示すような幅の狭いパルス状の線間電圧パルスが電動機に印加されていた。これは、図１０の破線部のＰＷＭパルス生成を考えた場合、Ｕ相電圧基準は最大値近くから零近くまで向かうため、Ｕ相素子点弧パルスは図１１（ａ）に示すような広幅パルスから狭幅パルスへと推移し、逆にＶ相電圧基準が零近くから最大値近くまで向かう時、Ｖ相素子点弧パルスは、図１１（ｂ）のように狭幅パルスから広幅パルスへと推移するため、Ｕ相とＶ相の差である線間電圧パルスは図１１（Ｃ）のように狭幅パルスとなるためである。
【０００５】
図１２はこの幅の狭い線間電圧パルスの周波数と、駆動する電動機あるいは接続ケーブルのインダクタンスやキャパシタンス分などの回路条件で決まるインピーダンスが共振した場合の電圧波形を示したものである。この共振現象が発生すると、狭幅パルスの立下りと回路条件で決まる過渡電圧のアンダーシュートの立下りのタイミングが一致するため、図１２に示したように、線間電圧に大きな負側サージ電圧が発生する。
【０００６】
尚、特開平９−８４３６０号公報の図７に記載されているようなＰＷＭパルス制御技術が知られているが、この技術は相電圧が零近傍の時のオンパルスに一定のリミットを設け、スイッチング素子を保護することを目的とした制御技術であり、電動機に印加されるサージ電圧の低減については何ら考慮されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、負側サージ電圧の発生により、駆動される電動機の絶縁劣化、損傷が発生し、場合によっては絶縁破壊による焼損などに至る恐れがあった。これを防止するため、電動機の絶縁強度を強化することが考えられるが、その場合には電動機の外形の大型化やコストの増加などの問題があった。
【０００８】
尚、一般に前述したインピーダンスは小さいので、共振を起こし悪影響を及ぼすパルス幅は、数十マイクロ秒以下と狭いのが普通である。
【０００９】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、サージ電圧による電動機絶縁の影響を軽減するようにした電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置は、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの内部スイッチング素子を制御する制御部とから構成され、前記制御部は、キャリア波を生成するキャリア発生手段と、三相電圧基準を作り出す基準生成手段と、この基準生成手段による三相電圧基準を受け、線間電圧に印加されるパルス幅が一定の値以下にならないような補正三相電圧基準を得る演算手段を備えた線間電圧リミット処理手段と、前記補正三相電圧基準と前記キャリア波を比較して前記スイッチング素子へのゲートパルス指令を生成するコンパレータとを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、比較的簡単な制御手段により、電力変換装置が発生するサージ電圧が電動機絶縁へ与える影響を軽減するようにした電力変換装置を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を図１乃至図３及び図１０乃至図１１を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の電力変換装置のブロック構成図である。図１に示すように、電力変換装置の主回路部Ａは直流電源装置１と、直流電圧を任意の周波数の交流電力に変換するインバータ２とから構成される。インバータ２の主回路にはスイッチング素子６が使用されており、その出力は電動機７に給電されている。
【００１４】
次に、電力変換装置の制御部Ｂの構成を説明する。制御回路３には、電動機７の速度センサＳＳからの速度検出信号Ｓｆと速度基準Ｓｒとを比較するいわゆるフィードバック制御に基づいて三相電圧基準Ｖｒを生成する機能がある。この三相電圧基準Ｖｒを線間電圧リミット処理回路８で受け、補正三相電圧基準Ｖｃをコンパレータ５に出力する。このコンパレータ５は、前記補正三相電圧基準Ｖｃとキャリア発生回路４の出力であるキャリア波Ｃｗとを比較して前記インバータ２のスイッチング素子６のゲートパルス指令Ｇｐを生成する。
【００１５】
以上の図１の構成における動作について以下説明する。制御回路３の出力である三相電圧基準Ｖｒは、図１０に示したような正弦波であるが、これを線間電圧リミット処理回路８に通すことにより、線間電圧が零となる近傍で補正をかけ、補正三相電圧基準Ｖｃを得るようにしている。ここで得られる補正三相電圧基準Ｖｃとキャリア発生回路４の出力であるキャリア波Ｃｗとをコンパレータ５で比較して得られるスイッチング素子６のゲートパルス指令Ｇｐには、インバータ２の出力の線間電圧が零近傍の時の狭い幅のパルスは無く、一定幅以上のパルスが得られるようになる。すなわち、リミット処理回路８は、図１１（ｃ）の中央部に示したような幅の狭いパルスを出力しないように、すなわち一定幅以下のパルスは出力しないように作用している。以下この線間電圧リミット処理回路８の内部の具体動作を、図１とともに図２のフローチャート及び図３の電圧波形を用いて説明する。
【００１６】
図２は本発明の第１の実施の形態における線間電圧リミット処理回路８の演算動作を示すフローチャートである。図１における制御回路３が生成するＵ相、Ｖ相、及びＷ相の三相電圧基準Ｖｒの中で、その値が中間の相を求め、これを中間相とする（ＳＴ１）。次に前記中間相と同符号である相を求め、これを同符号相とする（ＳＴ２）。次いで中間相の電圧基準が正か負かで場合分けする（ＳＴ３）。中間相の電圧基準が正の場合は、同符号相から電圧マージンを引いた値と中間相の値を比較し（ＳＴ４）、中間相の方が大きければ中間相の電圧基準を同符号相から電圧マージンを引いた値に補正する（ＳＴ５）。ステップＳＴ４で中間相の方が小さければ補正は行わない。一方、中間相の電圧基準が負の場合は、同符号相に電圧マージンを加えた値と、中間相の値を比較し（ＳＴ６）、中間相の方が小さければ中間相の電圧基準を同符号相に電圧マージンを加えた値に補正する（ＳＴ７）。ステップＳＴ６で中間相の方が大きければ補正は行わない。
【００１７】
図３は本発明の第１の実施の形態における三相電圧基準Ｖｒ及び補正三相電圧基準Ｖｃの波形図である。すなわち、図２のフローチャートに従って演算処理を行うと、線間電圧リミット処理回路８の入力である三相電圧基準Ｖｒを補正三相電圧基準Ｖｃの波形に置き換えることができる。斜線部分は任意の二相の相電圧基準の差、すなわち線間電圧が０近傍になるのを防止するための電圧マージンである。中間相の値がこの電圧マージン内に入った場合、すなわち、斜線部の領域を横切った時は、この電圧マージンを本来の電圧基準に加算した値が中間相の補正電圧基準となる。
【００１８】
このような処理を行った結果得られるＶ相の補正電圧基準の波形Ｖｃ（Ｖ相）を図３の太線で示す。尚、図を見易くするため、補正電圧基準はＶ相のみを太線で示した。
【００１９】
これにより、任意の二相の相電圧基準の差が０近傍になることを防止可能であり、その結果、線間電圧パルスが狭く出力されることを防止でき、負側サージ電圧が抑制され、電動機絶縁への影響を軽減することができる。
【００２０】
尚、図１では、直流電源装置１の図を電池の記号で示してあるが、これは商用交流電源からコンバータ回路を介して得たものでも何ら差し支えない。
【００２１】
また、図１に記載の実施の形態では、速度検出信号Ｓｆは電動機Ｍの速度検出器ＳＳから得られるものとしたが、これは電動機の入力電流などから演算された推定信号を用いても良い。
【００２２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明による電力変換装置の第２の実施の形態について、図１、図４および図５を用いて説明する。
【００２３】
図４は本発明による電力変換装置の第２の実施の形態における線間電圧リミット処理回路８内部での演算処理をフローチャートにしたものである。第一の実施の形態との違いは、中間相の電圧基準が正の場合（ＳＴ３）、中間相に電圧マージンを加えた値と、同符号相の値を比較し（ＳＴ８）、同符号相の方が小さければ同符号相の電圧基準を中間相に電圧マージンを加えた値に補正する（ＳＴ９）点、また、中間相の電圧基準が負の場合、中間相から電圧マージンを引いた値と、同符号相の値を比較し（ＳＴ１０）、同符号相の方が大きければ同符号相の電圧基準を中間相から電圧マージンを引いた値に補正する（ＳＴ１１）ようにした点である。尚、ステップＳＴ８で同符号相の方が大きい場合、またステップＳＴ１０で同符号相の方が小さい場合は補正は行わない。
【００２４】
図５は本発明の第２の実施の形態における三相電圧基準Ｖｒ及び補正三相電圧基準Ｖｃの波形図である。すなわち、図４のフローチャートに従った演算処理を行うことによって、線間電圧リミット処理回路８の入力である三相電圧基準Ｖｒを補正三相電圧基準Ｖｃの波形に置き換えることができる。尚、図４においてもＶ相の補正電圧基準Ｖｃ（Ｖ相）のみを太線で示した。
【００２５】
このようにしても、第１の実施の形態と同様、線間電圧パルスが狭く出力されることを防止でき、負側サージ電圧の抑制を図ることができ、電動機絶縁への影響を軽減できる。
【００２６】
（第３の実施の形態）
次に、本発明による電力変換装置の第３の実施の形態について、図１、図６および図７を用いて説明する。
【００２７】
図６は本発明による電力変換装置の第３の実施の形態における線間電圧リミット処理回路８内部での演算処理をフローチャートにしたものである。まず制御回路３が生成する三相電圧基準Ｖｒの中で任意の一相を基準相とする。その基準相の値の絶対値が三相電圧基準Ｖｒの中で最大であるかどうか判定する（ＳＴ１２）。最大の場合は三相電圧基準Ｖｒの中で絶対値が中間の相を求め（ＳＴ１３）、基準相と中間相以外の残りの一相を最小相とする（ＳＴ１４）。次に中間相の値が正か負かを判定（ＳＴ１５）し、正ならば中間相から電圧マージンを引いた値が最小相の値よりも小さいかを判定し（ＳＴ１６）、小さければ最小相の電圧基準を中間相から電圧マージンを引いた値に補正する（ＳＴ１７）。ステップＳＴ１６で中間相から電圧マージンを引いた値が最小相の値よりも大きければ、補正は行わない。前記ステップＳＴ１５における判定で中間相が負であった場合は、中間相に電圧マージンを加えた値が最小相の値よりも大きいかを判定（ＳＴ１８）し、大きければ最小相の電圧基準を中間相に電圧マージンを加えた値に補正する（ＳＴ１９）。ステップＳＴ１８で中間相に電圧マージンを加えた値が最小相の値よりも小さければ、補正は行なわない。
【００２８】
一方ステップＳＴ１２における判定で基準相の値の絶対値が三相電圧基準Ｖｒの中で最大でなかった場合、基準相の絶対値が三相電圧基準Ｖｒの中で最小であるか判定する（ＳＴ２０）。最小の場合は三相電圧基準Ｖｒの中で絶対値が中間の相を求め（ＳＴ２１）、基準相の値が正か負かを判定する（ＳＴ２２）。基準相の値が正の場合、基準相に電圧マージンを加えた値が中間相よりも大きいか否かを判定し（ＳＴ２３）、大きければ中間相の電圧基準を基準相に電圧マージンを加えた値に補正する（ＳＴ２４）。ステップＳＴ２３で基準相に電圧マージンを加えた値が中間相よりも小さければ、補正は行わない。ＳＴ２２における判定で基準相が負の場合は、基準相から電圧マージンを引いた値が中間相の値よりも小さいか否かを判定し（ＳＴ２５）、小さければ中間相の電圧基準を基準相から電圧マージンを引いた値に補正する（ＳＴ２６）。ステップＳＴ２５で基準相から電圧マージンを引いた値が中間相の値よりも大きければ、補正は行わない。
【００２９】
次にステップＳＴ２０における判定で基準相の値の絶対値が三相電圧基準Ｖｒの中で最小でなかった場合、三相電圧基準Ｖｒの中で絶対値が最小の相を求め（ＳＴ２７）、基準相の値が正か負かを判定する（ＳＴ２８）。正であれば基準相から電圧マージンを引いた値と最小相の値とを比較判定し（ＳＴ２９）、小さければ最小相の電圧基準を基準相から電圧マージンを引いた値に補正する（ＳＴ３０）。
【００３０】
ステップＳＴ２９で基準相から電圧マージンを引いた値の方が最小相よりも大きければ、補正は行わない。ＳＴ２８における判定で基準相が負であった場合は、基準相に電圧マージンを加えた値が最小相の値よりも大きいかを判定し（ＳＴ３１）、大きければ最小相の電圧基準を基準相に電圧マージンを加えた値に補正する（ＳＴ３２）。ステップＳＴ３１で基準相に電圧マージンを加えた値が最小相の値よりも小さければ、補正は行わない。
【００３１】
図７は本発明の第３の実施の形態における三相電圧基準Ｖｒ及び補正三相電圧基準Ｖｃの波形図である。すなわち、図６のフローチャートに従った演算処理を行うと、線間電圧リミット処理回路８の入力である三相電圧基準Ｖｒは補正三相電圧基準Ｖｃの波形に置き換えられる。ここでもＶ相の補正電圧基準Ｖｃ（Ｖ相）のみを太線で示した。
【００３２】
このようにすれば線間電圧パルスが狭く出力されることを防止でき、第１、第２の実施の形態と同様に負側サージ電圧の抑制を図ることができ、電動機絶縁への影響を軽減できる。
【００３３】
（第４の実施の形態）
更に、本発明による電力変換装置の第４の実施の形態について、図１、図８および図９を用いて説明する。
【００３４】
図８は本発明による電力変換装置の第４の実施の形態における線間電圧リミット処理回路８内部での演算処理をフローチャートにしたものである。第３の実施の形態との違いはステップＳＴ３３において最小相の値が負の場合、最小相から電圧マージンを引いた値が中間相よりも小さいか否かを判定し（ＳＴ３４）、小さい場合は中間相の電圧基準を最小相からに電圧マージンを引いた値に補正する（ＳＴ３５）点、並びに、ステップＳＴ３３の判定において最小相の値が正の場合、最小相に電圧マージンを加えた値が中間相の値よりも大きいかを判定し（ＳＴ３６）、大きい場合は中間相の電圧基準を最小相に電圧マージンを加えた値に補正する（ＳＴ３７）点である。ステップＳＴ３４で最小相から電圧マージンを引いた値が中間相よりも大きい場合、またステップＳＴ３６で最小相に電圧マージンを加えた値が中間相の値よりも小さい場合は、補正は行わない。
【００３５】
図９は本発明の第４の実施の形態における三相電圧基準Ｖｒ及び補正三相電圧基準Ｖｃの波形図である。すなわち、図８のフローチャートに従って演算処理を行うと、線間電圧リミット処理回路８の入力である三相電圧基準Ｖｒは補正三相電圧基準Ｖｃの波形に置き換えられる。ここでもＶ相の補正電圧基準Ｖｃ（Ｖ相）のみを太線で示した。
【００３６】
この場合も線間電圧パルスが短く出力されることを防止でき、負側サージ電圧の抑制を図ることができ、電動機絶縁への影響を軽減できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、比較的簡単な制御手段により、電力変換装置が発生するサージ電圧による電動機絶縁への影響を軽減し得る電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力変換装置のブロック構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における線間電圧リミット処理回路の動作を示すフローチャート。
【図３】本発明の第１の実施の形態における三相電圧基準及び補正三相電圧基準の波形図。
【図４】本発明の第２の実施の形態における線間電圧リミット処理回路の動作を示すフローチャート。
【図５】本発明の第２の実施の形態における三相電圧基準及び補正三相電圧基準の波形図。
【図６】本発明の第３の実施の形態における線間電圧リミット処理回路の動作を示すフローチャート。
【図７】本発明の第３の実施の形態における三相電圧基準及び補正三相電圧基準の波形図。
【図８】本発明の第４の実施の形態における線間電圧リミット処理回路の動作を示すフローチャート。
【図９】本発明の第４の実施の形態における三相電圧基準及び補正三相電圧基準の波形図。
【図１０】三相電圧基準の波形図。
【図１１】素子点弧パルスと線間電圧パルスの波形図。
【図１２】負側サージ電圧を説明する波形図。
【符号の説明】
１　直流電源装置
２　インバータ
３　制御回路
４　キャリア発生回路
５　コンパレータ
６　スイッチング素子
７　電動機
８　線間電圧リミット処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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