(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の交流電源のいずれかを選択する電源選択手順、
前記選択された交流電源に流れる交流電流から前記交流電源の電圧位相にもとづきｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分を検出する電流検出手順、
指令信号として入力されたｑ軸電流基準及びｄ軸電流基準と、前記電流検出手順により検出されたｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分との差を、それぞれ入出力端子間に接続されたコンデンサと抵抗器の直列接続体を有するアナログ演算増幅器により所定の増幅率で増幅してｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準を出力するｑ軸電流制御手順及びｄ軸電流制御手順、
前記電源選択手順により選択された前記交流電源の電圧を前記ｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準に基づいてＰＷＭ制御して直流電圧に変換する変換手順、
切替えた電源のリアクタンスを計測する手順、
前記交流電源と前記電流検出手順と前記電流制御手順と前記変換手順により構成される電流制御系の応答速度が前記リアクタンスにかかわらず一定となるように前記増幅率を決定する手順、
前記電源選択手順の選択に応じて前記ｑ軸電流制御手順又はｄ軸電流制御手順の少なくとも一方の増幅率を決定した前記増幅率に切替える増幅率切替え手順、
を含むことを特徴とするコンバータの電流制御方法。
【請求項２】
複数の交流電源のいずれかを選択する遮断器、
前記遮断器に接続され選択された前記交流電源の電圧をｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準に基づいて直流電圧に変換するコンバータ、
前記コンバータに流れる交流電流から前記交流電源の電圧位相にもとづきｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分を検出するベクトル演算器、
所定の増幅率を有し、指令信号として入力されたｑ軸電流基準及びｄ軸電流基準と前記ベクトル演算器で検出されたｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分との差を、それぞれ入出力端子間に接続されたコンデンサと抵抗器の直列接続体を有するアナログ演算増幅器により所定の増幅率で増幅してｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準を出力するｑ軸電流制御手段及びｄ軸電流制御手段、
切替えた電源のリアクタンスの計測手段、
前記交流電源と前記ベクトル演算器と前記電流制御手段と前記コンバータにより構成される電流制御系の応答速度が前記リアクタンスにかかわらず一定となるように前記増幅率を決定する増幅率決定手段、
前記ｑ軸電流制御手段又はｄ軸電流制御手段の少なくとも一方に設けられ前記遮断器の選択に応じて前記増幅率を切替える増幅率切替え手段を備えたことを特徴とするコンバータの電流制御装置。
【請求項３】
前記増幅率切替え手段は前記抵抗器の抵抗値と前記コンデンサの容量とを同時に切替える切替え回路を備えたことを特徴とする請求項２に記載のコンバータの電流制御装置。
【請求項４】
前記増幅率切替え手段は前記直列接続体にかかる電圧に、切替え可能な所定の乗率を乗ずる演算回路を備えたことを特徴とする請求項２に記載のコンバータの電流制御装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一項に記載のコンバータの電流制御装置を備えたＰＷＭコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＡＣ−ＤＣコンバータ、特にＰＷＭコンバータを用いてＡＣ側無効電流をゼロに制御する高力率コンバータの電流制御方法および電流制御装置およびこの電流制御装置を用いたＰＷＭコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
商用（交流）系統から交流電力の供給を受け、直流電力に変換する電力変換システムにおいて、一般に、交流系統側に無効電力や高調波が発生するのでこれらを抑制して高力率で運転するものが求められている。
このような電力変換システムの例として、特開平１０−１０５２６１号公報に示されたものと類似の高力率コンバータの制御ブロック図を図８に示す。
【０００３】
図に於いて、１は例えば商用電源のような３相交流電圧源、２は高調波を抑制するためのフィルタとして挿入されるリアクトル、３はリアクトル２から出力される交流電力を制御しつつ（例えばＰＷＭ制御）直流に変換する高力率コンバータの主回路、４はコンバータ主回路３に接続された負荷、５は交流電圧に同期した位相信号θを出力する位相検出器（図ではＰＬＬ）、６はＵ、Ｖ相の主回路３への入力電流ＩＵ  、ＩＶ  からｄ、ｑ軸電流帰還値Ｉｑ  、Ｉｄ  を得るための３相／２軸の座標変換器（ベクトル演算器）、７は直流電圧指令値と直流電圧帰還値との偏差にもとづきｑ軸電流指令値Ｉｑ＊  を出力する電圧コントローラ（図ではＶＣ）である。
【０００４】
８はＩｑ  ＊  とＩｑ  との偏差を入力とし、ｑ軸電圧指令信号Ｖｑ＊  を出力するための信号を出力するｑ軸電流コントローラ（図ではＣＣＱ）、９はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊  とＩｄ  との偏差にもとづきｄ軸電圧指令信号Ｖｄ＊  を出力するための信号を出力する信号を出力するｄ軸電流コントローラ（図ではＣＣＤ）、１０は各電流コントローラの出力に加えることにより、ｄ、ｑ軸の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを決定する非干渉項、１１は３相電圧指令値Ｖｕ＊  ，Ｖｖ＊  ，Ｖｗ＊  を得るための２軸／３相座標変換器である。
【０００５】
ところで、このような高力率コンバータが接続される３相交流電源１は、商用電源であるとは限らない。例えば、上下水処理場や特定のプラントでは停電による操業停止が許されないため、交流電源１は商用電源と自家発電設備とに切替えて使用される。このような切替え電源を図９に示す。図に於いて、１３は自家発電源を示し、１３ａは自家発電源１３の内部見かけリアクタンスである。また１ａは商用電源１の見かけリアクタンスを示している。
１６は電源を切替える遮断器、１７は電源切替え指令信号である。図示は省略しているが、図９の遮断器１６の出力側が図８のリアクトル２の入力側に接続されている。
【０００６】
そして、自家発電源１３は、一般にその電源容量は小さく、リアクタンス１３ａが商用電源のリアクタンス１ａに比して大きい。
高力率コンバータは、図１０に示すような交流入力側のリアクタンス成分を一巡制御系内に含むフィードバック電流制御系により交流入力側の電流を制御しているが、上記のように電源の切替えによって電源のリアクタンス成分が変化すると、電流制御応答速度が変化し、電流制御系が不安定になるという問題があった。
【０００７】
理解を助けるため、電源側のリアクタンス成分を含めた電流制御系の周波数特性（図１０の構成のその他の部分については除く）を図１１に示す。図に於いて、１ａＬ、１３ａＬは、それぞれリアクタンス１ａ、１３ａの特性、９０は電流コントローラＣＣＱ３０またはＣＣＤ４０の特性、９９はフィードバック電流制御系内のその他の要素の特性を表している。
図１１（ａ）はリアクタンス成分１ａ、１３ａ単独での電流応答特性を示し、１ａＬはリアクタンス１ａの、また、１３ａＬはリアクタンス１３ａの特性を示す。
図１１（ｂ）の９０は、ｑ軸電流コントローラ８およびｄ軸電流コントローラ９の周波数特性を示し、共に商用電源１のリアクタンス成分１ａに適応するように調整され固定されている。
図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の特性と図１１（ｂ）の特性との和の特性を示すもので、電流制御系の一巡伝達関数（図１０）の一部を示すものである。
９１は図１１（ａ）の１ａＬと図１１（ｂ）の特性の和、９２は図１１（ａ）の１３ａＬと図１１（ｂ）の特性の和である。
【０００８】
図１１（ｃ）から明らかなように電源のリアクタンス成分が、図１１（ａ）の１ａＬから１３ａＬに変化すると、制御系特性は図１１（ｃ）の９１から９２のように変化する。
図１１（ｃ）の９１の特性のとき、最も安定した最適なものとなるように、その他部分の特性が調整されているとすれば、９２の特性のときには応答速度が遅くなるとともに、制御位相が不適切となつて安定性が損なわれる方向に特性が変化していることを示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高力率コンバータは、以上のように、商用電源など特定の電源に接続されたとき、最適の電流応答性能を得られるように調整され、固定されているので、電源のリアクタンス特性が異なるものに切替えられたときには、最適の性能が得られないという問題があった。
【００１０】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、リアクタンス成分の異なる電源に切替えられても、最適の性能を得られるようにしたコンバータの電流制御方法と電流制御装置、およびこの制御装置を用いたＰＷＭコンバータを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明によるコンバータの電流制御方法は、  複数の交流電源のいずれかを選択する電源選択手順、
前記選択された交流電源に流れる交流電流から前記交流電源の電圧位相にもとづきｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分を検出する電流検出手順、
指令信号として入力されたｑ軸電流基準及びｄ軸電流基準と、前記電流検出手順により検出されたｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分との差を、それぞれ入出力端子間に接続されたコンデンサと抵抗器の直列接続体を有するアナログ演算増幅器により所定の増幅率で増幅してｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準を出力するｑ軸電流制御手順及びｄ軸電流制御手順、
前記電源選択手順により選択された前記交流電源の電圧を前記ｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準に基づいてＰＷＭ制御して直流電圧に変換する変換手順、
切替えた電源のリアクタンスを計測する手順、
前記交流電源と前記電流検出手順と前記電流制御手順と前記変換手順により構成される電流制御系の応答速度が前記リアクタンスにかかわらず一定となるように前記増幅率を決定する手順、
前記電源選択手順の選択に応じて前記ｑ軸電流制御手順又はｄ軸電流制御手順の少なくとも一方の増幅率を決定した前記増幅率に切替える増幅率切替え手順を含むものである。
【００１２】
この発明によるコンバータの電流制御装置は、  複数の交流電源のいずれかを選択する遮断器、
前記遮断器に接続され選択された前記交流電源の電圧をｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準に基づいて直流電圧に変換するコンバータ、
前記コンバータに流れる交流電流から前記交流電源の電圧位相にもとづきｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分を検出するベクトル演算器、
所定の増幅率を有し、指令信号として入力されたｑ軸電流基準及びｄ軸電流基準と前記ベクトル演算器で検出されたｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分との差を、それぞれ入出力端子間に接続されたコンデンサと抵抗器の直列接続体を有するアナログ演算増幅器により所定の増幅率で増幅してｑ軸電圧基準及びｄ軸電圧基準を出力するｑ軸電流制御手段及びｄ軸電流制御手段、
切替えた電源のリアクタンスの計測手段、
前記交流電源と前記ベクトル演算器と前記電流制御手段と前記コンバータにより構成される電流制御系の応答速度が前記リアクタンスにかかわらず一定となるように前記増幅率を決定する増幅率決定手段、
前記ｑ軸電流制御手段又はｄ軸電流制御手段の少なくとも一方に設けられ前記遮断器の選択に応じて前記増幅率を切替える増幅率切替え手段を備えたものである。
【００１３】
また、前記増幅率切替え手段は前記抵抗器の抵抗値と前記コンデンサの容量とを同時に切替える切替え回路を備えたものである。
【００１４】
また、前記増幅率切替え手段は前記直列接続体にかかる電圧に、切替え可能な所定の乗率を乗ずる演算回路を備えたものである。
【００１５】
また、この発明によるＰＷＭコンバータは上記のコンバータの電流制御装置を備えた備えたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１に実施の形態１のコンバータ（高力率コンバータ）のブロック図を示す。図に於いて１は３相商用電源のようにリアクタンス１ａ成分が小さいもの、１３は小容量の自家発電設備の電源でリアクタンス成分１３ａがより大きいもの、２は高調波を抑制するたるのフィルタとして挿入されるリアクトル、３はリアクトル２から出力される交流電力を制御しつつ（例えばＰＷＭ制御）直流に変換する高力率コンバータの主回路、４はコンバータ主回路３に接続された負荷、５は交流電圧に同期した位相信号θを出力する位相検出器（図ではＰＬＬ）、６はＵ、Ｖ相の主回路３への入力電流ＩＵ  、ＩＶ  からｄ、ｑ軸電流帰還値Ｉｑ  、Ｉｄ  を得るための３相／２軸の座標変換器（ベクトル演算器ともいう）、７は直流電圧指令値と直流電圧帰還値との偏差にもとづきｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、Ｉｄ＊を出力する電圧コントローラ（図ではＶＣ）である。
【００１７】
１０は各電流コントローラの出力に加えることにより、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを決定する非干渉項、１１は３相電圧指令値Ｖｕ＊  ，Ｖｖ＊  ，Ｖｗ＊  を得るための２軸／３相座標変換器である。
１６は電源１と１３とを選択的に切替える遮断器、１７は電源切替えのため遮断器１６を制御する切替え指令信号、１８は電流コントローラで応答速度調整機能（後述）を備えている。
【００１８】
図１の要部（電流コントローラ１８など）の詳細を図２に示す。
３０はＩｑ＊  とＩｑ  との偏差を入力とするｑ軸電流コントローラ（図ではＣＣＱ）、４０はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊  とＩｄ  との偏差にもとづき電流制御のための信号を出力するｄ軸電流コントローラ（図ではＣＣＤ）である。
ｑ軸電流コントローラ３０内において、２６は例えばアナログ演算増幅器、２７は電源切替え指令信号１７によって作動する切替え接点、２８はリアクタンス１ａに対応した第１の比例（Ｐ）ゲイン、２９はリアクタンス１３ａに対応した第２の比例（Ｐ）ゲイン、２５は積分（Ｉ）ゲインである。演算増幅器２６がアナログオペアンプの場合、第１、２の比例（Ｐ）ゲイン２８、２９は具体的には抵抗器、積分（Ｉ）ゲイン２５は具体的にはコンデンサである。抵抗器とコンデンサとは直列接続体（増幅率決定手段とも言う）という。
【００１９】
ｄ軸電流コントローラ４０内において、３６は例えばアナログ演算増幅器、３７は電源切替え指令信号１７によって作動する切替え接点、３８はリアクタンス１ａに対応した第１の比例（Ｐ）ゲイン、３９はリアクタンス１３ａに対応した第２の比例（Ｐ）ゲイン、３５は積分（Ｉ）ゲインである。演算増幅器３６がアナログオペアンプの場合、第１、２の比例（Ｐ）ゲイン３８、３９は具体的には抵抗器、積分（Ｉ）ゲイン３５は具体的にはコンデンサである。抵抗器とコンデンサとは直列接続体という。
【００２０】
次に、動作について図３のフローチャートにより説明する。
まず、ステップＳ０１にて、電源切替え指令信号１７によって、遮断器１６が交流電源１又は１３のいずれかを選択する（電源選択手順という）。この切替えによってリアクタンスが１ａ又は１３ａのいずれかに変わり、電流制御応答速度が変わる。
ステップＳ０２でこの選択された電源での運転において交流電流からｑ軸電流成分とｄ軸電流成分とを検出する（電流検出手順という）。
ステップＳ０３で、指令信号として入力されているｑ軸電流基準と前記検出されているｑ軸電流成分との差を増幅してｑ軸電圧基準を出力する（ｑ軸電流制御手順という）。
ステップＳ０４で、指令信号として入力されているｄ軸電流基準と前記検出されているｄ軸電流成分との差を増幅してｄ軸電圧基準を出力する（ｄ軸電流制御手順という）。
ステップＳ０５で、ステップＳ０３又はステップＳ０４の少なくとも一方の前記増幅する率をステップＳ０１で選択された電源に応じて切替える（増幅率切替え手順という）。
具体的には、電流切替え指令１７を電流コントローラ１８に入力し、電源のリアクタンスの変化に対応したＰゲイン２８または２９を選択する。
ステップＳ０６で前記出力されたｑ軸電圧基準とｄ軸電圧基準にもとづき交流電圧を直流電圧に変換する（変換手順という）。
【００２１】
なお、切替えた電源のリアクタンスはあらかじめ測定しておく、また、測定したリアクタンスに応じて増幅率を決定しておく(増幅率決定手順という)。
以上のように、電源切替え指令１７を電流応答速度調整機能付電流コントローラ１８に入力し、電流コントローラ３０又は４０のＰゲインを切替えることによって、電源のリアクタンスの大小に関係なく電流制御系の応答速度を一定とすることができる。
【００２２】
理解を助けるため、図２の構成の場合の周波数特性をについて図４により説明する。
電源１が選択されたときの電源のリアクタンス１ａの特性は、図４（ｃ）の１ａＬ、電源１３が選択されたときの電源のリアクタンス１３ａの特性は、図４（ｃ）の１３ａＬのようになる。このときｑ軸電流コントローラ３０またはｄ軸電流コントローラ４０の特性を図４（ｂ）の２８Ｌと２９Ｌのように変化させる。  即ち、電源１が選択されたとき特性２８Ｌが、電源１３が選択されたとき特性２９Ｌが選択されるようにする。その結果、リアクタンスの特性とｑ軸電流コントローラ３０またはｄ軸電流コントローラ４０の特性とを加算した特性は、図４（ｃ）のように、電源１を選択したとき１ａＬ＋２８Ｌの特性、電源１３を選択したとき１３ａＬ＋２９Ｌの特性となり、これらは同じ特性であるから、リアクタンスの変化にかかわらず、常に一定の特性を持つようになる。
【００２３】
以上の説明に於いて、電源は２種類であるとして説明したが、複数の電源の切替えに対応できることは明らかである。また、手動で切替える場合には切替え指令信号１７は必要ない。電流コントローラ３０、４０は構成が簡単なアナログ演算増幅器を用いる例について説明したが、同じ機能はディジタルでも構成できる。ｑ軸電流コントローラ３０はｑ軸電流制御手段、ｄ軸電流コントローラ４０はｄ軸電流制御手段である。第１、第２の比例ゲイン２８、２９、３８、３９と切替え接点２７は増幅率切替え手段である。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態２の制御ブロックを図５に示す。図５ではｑ軸電流コントローラ３０と、ｄ軸電流コントローラ４０の構成を同じ１枚の図で示している。図に於いて、５０は実施の形態２によるｑ軸またはｄ軸電流コントローラである。５４は一定のＰゲイン要素（例えば固定抵抗）、５５は乗算器である。５２、５３は乗算器５５の乗率を決定する第１、第２の調整器である。
【００２５】
次に動作について説明する。
電流切替え指令信号１７によって交流電源を選択する。同時に切替え指令信号１７を電流コントローラ５０に入力し、電源のリアクタンスの変化に対応して固定のゲイン５４に乗じるゲイン５５の乗率を第１、第２の調整器５２、５３を選択することにより切り替える。この場合周波数特性は図４の場合と類似した特性が得られる。場合によるが図５の回路のほうが図２のものより、より簡単な構成とすることができる。
【００２６】
実施の形態３．
実施の形態１の図４に於いて、電源１、１３の切替えによって、リアクタンス成分が１ａ、１３ａと切り替わり、周波数特性が図４（ａ）の１ａＬ，１３ａＬのように変わると説明したが、より正確に説明するなら、リアクタンスだけでなく、電源の純抵抗要素も変わるので、比例ゲイン要素も変化する（特性線の折れ曲がり周波数と、水平部分のゲインの高さ）。即ち、電源容量の小さい電源１３の方が比例ゲイン要素が低くなる。
【００２７】
この変化に、より厳密に対応できるようにするため、図６に示すように、電流コントローラ６０のゲインの切替えは、比例（Ｐ）ゲインの切替えと同時に、積分（Ｉ）ゲインも第１の（Ｉ）ゲイン２５１、第２の（Ｉ）ゲイン２５２に切替えるようにする。ここで第１の（Ｉ）ゲイン２５１は図１の（Ｉ）ゲイン２５と同じものである。
この場合の各部の周波数特性について図７により説明する。図７（ａ）の１ａＬ、１３ａＬは、図４より、より厳密に示した電源の特性である。また、電流コントローラ６０の周波数特性は図７（ｂ）に示すように電源１が選択されたとき２８Ｌ、電源１３が選択されたとき２９２Ｌのようになる（折れ点の周波数とともに、低い周波数でのゲインも変わっている）。そして図７（ａ）の特性と図７（ｂ）の特性とを加算した特性は図７（ｃ）のようになり、より、厳密に特性の変化を防止することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明のコンバータの電流制御方法は、電源選択手順の選択に応じてｑ軸電流制御手順又はｄ軸電流制御手順の少なくとも一方の増幅する率を切替える増幅率切替え手順を含むので、電源を切替えても電流制御系の応答特性が常に最適に保たれるという効果がある。
【００２９】
また、切替えた電源のリアクタンスを計測する手順と、計測したリアクタンスに基づいて増幅率を決定する手順とを含むので、どの様な電源に切替えられても対応できる。
【００３０】
この発明のコンバータの電流制御装置は、ｑ軸電流制御手段又はｄ軸電流制御手段の少なくとも一方に設けられ遮断器の選択に応じて電流制御増幅器の増幅率を切替える増幅率切替え手段を備えているので、電源を切替えても電流制御系の応答特性が常に最適に保たれるという効果がある。
【００３１】
また、増幅率は電源のリアクタンスにもとづいて決定されているので、電源の種類にかかわらず対応できるという効果がある。
【００３２】
また、増幅率切替え手段はアナログ演算増幅器の入出力端子間にコンデンサと直列接続した抵抗器の抵抗値を切替える切替え回路であるので、構成が簡単であるという効果が得られる。
【００３３】
また、増幅率切替え手段はアナログ演算増幅器の入出力端子間にコンデンサと抵抗器の直列接続体を有し、この直列接続体にかかる電圧に所定の倍率を乗じる演算回路を備えているので、構成が簡単であるという効果が得られる。
【００３４】
この発明のＰＷＭコンバータは前記コンバータの電流制御装置を備えているので、電源を切替えても電流制御系の応答特性が常に最適に保たれるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１のコンバータの構成図である。
【図２】  図１の要部構成を示す詳細説明図である。
【図３】  図２の構成のものの動作手順を示すフローチャートである。
【図４】  図２の構成のものの周波数特性の説明図である。
【図５】  実施の形態２によるコンバータの要部構成を示す構成図である。
【図６】  実施の形態３のコンバータの要部構成を示す構成図である。
【図７】  図６のものの周波数特性説明図である。
【図８】  従来のコンバータの構成図である。
【図９】  図８の電源の切替えについて説明する回路図である。
【図１０】  図８のコンバータの電流制御系の伝達関数ブロック図である。
【図１１】  図１０の伝達関数ブロック図の周波数特性についての説明図である。
【符号の説明】
１  商用電源、    １ａ  商用電源のリアクタンス、
２  リアクトル、   ３  コンバータの主回路、
４  負荷、    ５  位相検出器、    ６  ３相／２軸座標変換器、
７  電圧コントローラ、    ８  ｑ軸電流コントローラ、
９  ｄ軸電流コントローラ、    １１  ２軸／３相座標変換器、
１３  自家発電源、    １３ａ  自家発電源のリアクタンス、
１６  遮断器、    １７  電源切替え指令、
１８  電流応答速度調整機能付電流コントローラ、
２５、３５  積分ゲイン、  ２６、３６  アナログ演算増幅器、
２７、３７  切替え接点、    ２８、２９、３８、３９  比例ゲイン、
５５  乗算器。
【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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