劉烈焜+易靈芝+徐斌+羅百敏+朱廣輝+吳煒楠
收稿日期:2013-06-17
基金項目:國家能源局項目(JG2011A012);湖南省自科基金項目(11JJ8004)
作者簡介:劉烈焜(1986—),男,湖南郴州人,碩士研究生,研究方向:開關磁阻風力發電系統。
通訊聯系人,E-mail:450337856@qq.com
文章編號:1003-6199(2014)03-0047-05
摘 要:基于Ansoft/RMxprt 和 Maxwell的仿真環境,建立開關磁阻發電機仿真模型,采用有限元分析,研究其靜態和動態特性; 研究旋轉電機優化設計方法,指導開關磁阻發電機及其控制系統優化設計。采用低速段電流斬波控制,得到最佳開通角、關斷角、轉速、和電流滯環控制寬度等參數,指導樣機發電實驗,增加發電輸出功率,提高SRG發電系統穩定性。
關鍵詞:開關磁阻發電機;電流斬波控制;有限元分析;旋轉電機優化設計
中圖分類號:TM91 文獻標識碼:A
Study of Low Velocity Current Chopping
Control for SRG Based on RMxprt Maxwell
LIU Lie-Kun1,YI Ling-zhi1,XU Bing1, LUO Bai-mi2,ZHU Guang-hui2,WU Wei-nan1
(1. Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing, Ministry of Education,Xiangtan,Hunan 411105,China;
2.Xiangtan electric drawing equipment research laboratory Co Ltd,Xiangtan, Hunan 411101,China)
Abstract:The module of 8/6 phase switched reluctance generator was built under Ansoft / RMxprt and Maxwell. The basic static performance and dynamic performance of SRG were analyzed based on the model by finite element analysis; The results of optimization design of rotating electrical machines can be available used to design and optimize the new type machine and its control system. In low velocity, a new type current chopping controller is adopted, the control parameters can be got, such as θon, θoff, velocity and current chop control width, so the prototype machine can be achieved, and the output power can be enlarge, and the stability of SRG power system can be increased.
Key words:SRG; Current Chopping Control (CCC); Finite Element Analysis(FEA);optimization design of rotating electrical machines
1 引 言
作為一種新型特種電機,開關磁阻電機結構簡單、啟動電流小、啟動力矩大、成本低、調速性能好、效率較高、可靠性較好,只需改變勵磁時間即可在四象限內工作,頻繁切換于電動/發電狀態[1]。開關磁阻發電機(Switched Reluctance Generator,SRG)的變速運行范圍寬,低速性能好,輸出為直流電,易于實現直流微網,在風力發電領域具有廣闊的應用背景。
Ansoft12是一款強大的有限元分析軟件,其中旋轉電機設計軟件包Rmxprt,包含許多電機模型。Maxwell是一種功能強大、結果準確、易于使用電磁場有限元分析軟件,包括電場、靜磁場、渦流場、瞬態場和溫度場分析模塊,可以用來分析電機、變壓器、永磁設備等電磁裝置的動、靜態和瞬態特性[2,3]。
2 發電原理及控制
2.1 SRG發電原理
8/6相SRG的結構如圖1(a)所示,在θ=θon(開通角)時刻主開關開始導通,在θ=θoff(關斷角)時刻主開關關斷。θon~θoff階段為繞組的勵磁階段, SRG從原動機吸收電能,繞組儲存能量;θ>θoff階段為繞組續流發電階段,電機將機械能轉換為電能向外輸出, SRG一相的發電功率為發電階段輸出功率和勵磁階段吸收功率之差。
2.2 CCC控制模式
SRG起動轉速較低,運動電勢i(L/θ)ω較小, 所以對相電流影響也較小,這時-UC-i(L/θ)ω<0,感應電勢ωL(L/θ)在低速時較大,使得相電流上升很快。為避免過大的電流脈沖峰值對功率變換器開關器件及繞組的沖擊,可以采用電流斬波控制方式,其控制方法是固定θon與θoff,讓相電流i與電流斬波上限ichop進行比較,在電流導通的區間,即θon<θ<θoff期間時,若i
3 SRG有限元模型
本文采用8/6極雙凸極結構的開關磁阻電機,轉子無繞組和永磁體。原動機(模擬風機和增速器)將SRG拖動到額定轉速,通過控制器來調節輸出電壓。
3.1 基于 Rmxprt的SRG仿真
首先,打開Ansoft軟件,進入Rmxprt, 開始SRG設計[4]。定、轉子材料都是D23鋼,轉子軸心定義為空氣,繞組為銅,結構、尺寸等基本參數見表1。
加載完這些參數,然后設置繞組參數、仿真計算參數,軟件就會自動生成開關磁阻電機模型,見圖1(b)-(e)。讓軟件對模型進行檢測,然后運行。運行結束后就可以查看仿真計算結果數據,如磁鏈圖、電流-轉速圖、效率-轉速圖等。
3.2 基于RMxprt的SRG參數優化
在設計前期,發電機的幾何尺寸、繞組匝數、導通角度、線規等參數無法準確給出,需要進行反復計算和嘗試,RMxprt不僅具有最基本的設計計算功能外,還具有強大的參數分析與優化設計功能。以SRG定子外徑單變量為例,使定子外徑從150mm~160mm變化,步長為1mm可得到SRG效率、磁鏈、輸出功率與定子外徑的關系(見圖2),可以看出,發電效率、磁鏈、輸出功率隨著定子外徑長度變化的結果,尋求在一定約束范圍內最優值,實現參數分析和優化。
3.3 基于Maxwell的SRG有限元分析
將RMxprt軟件設計的電機模型導入 Maxwell,軟件已經自動設置好求解器、模型平面、對象分組,建立了瞬態仿真模型[5]-[6],由于8/6極的對稱性,為了節約計算時間,軟件只對電機的上半部分進行分析, 2維、3維SRG模型和網格剖分別見圖3(a)、(b)。
3.4 網格剖分
通過網格剖分,Maxwell對SRG模型進行離散化分析,把SRG分解成許多子區域, 基于求解邊界問題的原理,選取恰當的嘗試函數,簡化每一個單元的計算,再求其結果總和。采用三角形有限元表示整個計算區域,形成的SRG網格圖,離散化結果見圖3(c)。
3.5 運動選項設置
針對電機旋轉時的磁場變化,采用SRG的瞬態電磁場分析,通過對其band面域進行運動設置,通過運動的方向、旋轉的初始位置、初始轉速和外接負載所產生的力矩等參數,來實現模型旋轉功能:發電機被原動機順時針拖動,旋轉初始位置為22.5°,忽略負載損耗。
3.6 外電路
功率變換器承擔著SRG的勵磁功率輸入和發電功率輸出的雙重任務。Maxwell可以自己定義外電路,設定控制回路構成一個完整系統。根據實際要求,采用電壓、電流控制型開關,通過一個電壓(或電流)大小來控制開關的導通/關斷,實現勵磁, 并進行低速段電流斬波控制,由電壓控制內部開關模塊計算開關角、周期、初始位置,上下兩個對應相的主開關是同時通/斷。電流控制型開關是由主電路電流的大小控制,便于實現電流斬波控制算法。
電源串聯的電流型控制開關是為了實現自勵,開關通過設置,可以在0.001秒的時刻關斷,勵磁電源脫離整個控制器。發電的時候開關斷開,繞組會通過續流二極管向負載供電或向電容充電,見圖4。
開關磁阻電機的位置速度檢測很重要,它是通過位置檢測,知道一個特定的時刻轉子的位置,發出觸發脈沖開通指定的功率變換器開關,維持電機運行。Maxwell本身帶有位置變量P,通過上一步設置的初始位置,分析得出正確的換向信號,通過電壓型開關進行位置設定,形成互為15°單向順序導通,在合適的時間勵磁可以使得輸出的轉矩脈動最小。
當開關磁阻電機工作在發電狀態,電流斬波控制(CCC)、角度位置控制(APC)、PWM控制適應范圍各有不同。低速穩態采用電流斬波控制。A相開通角為9°,關斷角為24°,額定轉速為1000r/min,參考電流為6A,滯環電流寬度為0.5A;其余相均按相同方法設置有關參數。
4 仿 真
4.1 SRG靜態性能
在Maxwell模塊下,SRG靜態電磁特性和動態特性很容易分析出來[7]。靜態特性見圖5。
圖5 (a)為相電流特性波形,從圖中可以看出,電流斬波使得電流趨于平緩,有效地避免了電流的峰值。圖5 (b)為相電感特性波形,因為電流斬波控制的原因,使得本來是三角形的相電感波形呈現抖動性。圖5 (c)為反電勢特性波形,反電動勢是由于線圈受到磁場的影響而對原電動勢產生的一個相對抗的電動勢,其對相電流的變化有影響。圖5 (d)為系統輸出電壓波形,因為負載是純阻性負載,輸出電壓恒定。圖5 (e)為轉矩波形,在不同的開通角、關斷角勵磁情況下,轉矩波形不斷變化,本文選取的轉矩脈動是實驗中幾組數據中最優設置得到的。
4.2 SRG的動態性能
保持發電機1000轉/分的轉速不變,忽略一切機械損耗,然后設置轉子的初始位置、求解起始時間和終止時間、線性步長、場信息保存時間步長等一系列參數,然后求解得到電流斬波控制下電機動態性能圖, 從中截選了0.02秒和0.03秒時刻的電機內部磁鏈和磁密云圖。
如圖6(a) 為0.02秒時發電機內部磁鏈圖,很清楚的看到D相磁鏈集中,此時導通的正是D相。圖6(b)為0.03秒時發電機內部的磁鏈圖,此時磁鏈在A相集中。圖6(c)和圖6(d)分別是0.02秒和0.03秒時刻的磁密云圖,可以對應圖6(a)和圖6(b),在相應地時刻對應相的飽和程度可以一目了然。
5 結 論
基于RMxprt Maxwell環境,建立8/6相開關磁阻發電機的仿真模型,完成對SRG系統的低速段電流斬波控制。仿真結果準確的反映了SRG在低速段的磁場分布,為發電機結構參數優化設計提供了依據。電磁參數的分析為建立SRG的非線性模型體提供了電磁特性參數,為在其他環境(如MATLAB)下SRG建模提供依據[8];電流和轉矩反映了SRG的基本性能,為在低速段選擇電流斬波控制模式的優點,為如何選擇開關磁阻風力發電系統最優的開通角和關斷角提供參考。
參考文獻
[1] OLIVEIRA, E.S.L. COELHO, A.SUETAKE M. Investigations on single-phase SRG under variable speed operation[C]. Power Electronics Conference. Sept. 2011: 300-305. Brazilian
[2] 劉國強,趙凌志.Ansoft工程電磁場有限元分析[M].北京:電子工業出版社,2005.
[3] 趙博,張洪亮.ANSOFT12在工程電磁場中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2010.
[4] 吳建華.開關磁阻電機設計和應用[M].北京:機械工業出版社,2000.
[5] 周會軍.基于 Ansoft Maxwell 2D的開關磁阻電機仿真研究[J].微電機,2005,38(6):10- 13.
[6] 馬春燕,王振民,陳燕.開關磁阻平面電機運動機理及其結構設計[J].電機與控制學報, 2008, 12(1): 38-41.
[7] 鞏建英,劉衛國,謝拴勤.開關磁阻發電系統仿真與穩定性分析[J].系統仿真學報.2009, 21(20):6634-6637.
[8] 甘醇.開關磁阻電機新型功率變換器的研究與設計[J].電機與控制應用2011,38(3):12-17.
3 SRG有限元模型
本文采用8/6極雙凸極結構的開關磁阻電機,轉子無繞組和永磁體。原動機(模擬風機和增速器)將SRG拖動到額定轉速,通過控制器來調節輸出電壓。
3.1 基于 Rmxprt的SRG仿真
首先,打開Ansoft軟件,進入Rmxprt, 開始SRG設計[4]。定、轉子材料都是D23鋼,轉子軸心定義為空氣,繞組為銅,結構、尺寸等基本參數見表1。
加載完這些參數,然后設置繞組參數、仿真計算參數,軟件就會自動生成開關磁阻電機模型,見圖1(b)-(e)。讓軟件對模型進行檢測,然后運行。運行結束后就可以查看仿真計算結果數據,如磁鏈圖、電流-轉速圖、效率-轉速圖等。
3.2 基于RMxprt的SRG參數優化
在設計前期,發電機的幾何尺寸、繞組匝數、導通角度、線規等參數無法準確給出,需要進行反復計算和嘗試,RMxprt不僅具有最基本的設計計算功能外,還具有強大的參數分析與優化設計功能。以SRG定子外徑單變量為例,使定子外徑從150mm~160mm變化,步長為1mm可得到SRG效率、磁鏈、輸出功率與定子外徑的關系(見圖2),可以看出,發電效率、磁鏈、輸出功率隨著定子外徑長度變化的結果,尋求在一定約束范圍內最優值,實現參數分析和優化。
3.3 基于Maxwell的SRG有限元分析
將RMxprt軟件設計的電機模型導入 Maxwell,軟件已經自動設置好求解器、模型平面、對象分組,建立了瞬態仿真模型[5]-[6],由于8/6極的對稱性,為了節約計算時間,軟件只對電機的上半部分進行分析, 2維、3維SRG模型和網格剖分別見圖3(a)、(b)。
3.4 網格剖分
通過網格剖分,Maxwell對SRG模型進行離散化分析,把SRG分解成許多子區域, 基于求解邊界問題的原理,選取恰當的嘗試函數,簡化每一個單元的計算,再求其結果總和。采用三角形有限元表示整個計算區域,形成的SRG網格圖,離散化結果見圖3(c)。
3.5 運動選項設置
針對電機旋轉時的磁場變化,采用SRG的瞬態電磁場分析,通過對其band面域進行運動設置,通過運動的方向、旋轉的初始位置、初始轉速和外接負載所產生的力矩等參數,來實現模型旋轉功能:發電機被原動機順時針拖動,旋轉初始位置為22.5°,忽略負載損耗。
3.6 外電路
功率變換器承擔著SRG的勵磁功率輸入和發電功率輸出的雙重任務。Maxwell可以自己定義外電路,設定控制回路構成一個完整系統。根據實際要求,采用電壓、電流控制型開關,通過一個電壓(或電流)大小來控制開關的導通/關斷,實現勵磁, 并進行低速段電流斬波控制,由電壓控制內部開關模塊計算開關角、周期、初始位置,上下兩個對應相的主開關是同時通/斷。電流控制型開關是由主電路電流的大小控制,便于實現電流斬波控制算法。
電源串聯的電流型控制開關是為了實現自勵,開關通過設置,可以在0.001秒的時刻關斷,勵磁電源脫離整個控制器。發電的時候開關斷開,繞組會通過續流二極管向負載供電或向電容充電,見圖4。
開關磁阻電機的位置速度檢測很重要,它是通過位置檢測,知道一個特定的時刻轉子的位置,發出觸發脈沖開通指定的功率變換器開關,維持電機運行。Maxwell本身帶有位置變量P,通過上一步設置的初始位置,分析得出正確的換向信號,通過電壓型開關進行位置設定,形成互為15°單向順序導通,在合適的時間勵磁可以使得輸出的轉矩脈動最小。
當開關磁阻電機工作在發電狀態,電流斬波控制(CCC)、角度位置控制(APC)、PWM控制適應范圍各有不同。低速穩態采用電流斬波控制。A相開通角為9°,關斷角為24°,額定轉速為1000r/min,參考電流為6A,滯環電流寬度為0.5A;其余相均按相同方法設置有關參數。
4 仿 真
4.1 SRG靜態性能
在Maxwell模塊下,SRG靜態電磁特性和動態特性很容易分析出來[7]。靜態特性見圖5。
圖5 (a)為相電流特性波形,從圖中可以看出,電流斬波使得電流趨于平緩,有效地避免了電流的峰值。圖5 (b)為相電感特性波形,因為電流斬波控制的原因,使得本來是三角形的相電感波形呈現抖動性。圖5 (c)為反電勢特性波形,反電動勢是由于線圈受到磁場的影響而對原電動勢產生的一個相對抗的電動勢,其對相電流的變化有影響。圖5 (d)為系統輸出電壓波形,因為負載是純阻性負載,輸出電壓恒定。圖5 (e)為轉矩波形,在不同的開通角、關斷角勵磁情況下,轉矩波形不斷變化,本文選取的轉矩脈動是實驗中幾組數據中最優設置得到的。
4.2 SRG的動態性能
保持發電機1000轉/分的轉速不變,忽略一切機械損耗,然后設置轉子的初始位置、求解起始時間和終止時間、線性步長、場信息保存時間步長等一系列參數,然后求解得到電流斬波控制下電機動態性能圖, 從中截選了0.02秒和0.03秒時刻的電機內部磁鏈和磁密云圖。
如圖6(a) 為0.02秒時發電機內部磁鏈圖,很清楚的看到D相磁鏈集中,此時導通的正是D相。圖6(b)為0.03秒時發電機內部的磁鏈圖,此時磁鏈在A相集中。圖6(c)和圖6(d)分別是0.02秒和0.03秒時刻的磁密云圖,可以對應圖6(a)和圖6(b),在相應地時刻對應相的飽和程度可以一目了然。
5 結 論
基于RMxprt Maxwell環境,建立8/6相開關磁阻發電機的仿真模型,完成對SRG系統的低速段電流斬波控制。仿真結果準確的反映了SRG在低速段的磁場分布,為發電機結構參數優化設計提供了依據。電磁參數的分析為建立SRG的非線性模型體提供了電磁特性參數,為在其他環境(如MATLAB)下SRG建模提供依據[8];電流和轉矩反映了SRG的基本性能,為在低速段選擇電流斬波控制模式的優點,為如何選擇開關磁阻風力發電系統最優的開通角和關斷角提供參考。
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[1] OLIVEIRA, E.S.L. COELHO, A.SUETAKE M. Investigations on single-phase SRG under variable speed operation[C]. Power Electronics Conference. Sept. 2011: 300-305. Brazilian
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[7] 鞏建英,劉衛國,謝拴勤.開關磁阻發電系統仿真與穩定性分析[J].系統仿真學報.2009, 21(20):6634-6637.
[8] 甘醇.開關磁阻電機新型功率變換器的研究與設計[J].電機與控制應用2011,38(3):12-17.
3 SRG有限元模型
本文采用8/6極雙凸極結構的開關磁阻電機,轉子無繞組和永磁體。原動機(模擬風機和增速器)將SRG拖動到額定轉速,通過控制器來調節輸出電壓。
3.1 基于 Rmxprt的SRG仿真
首先,打開Ansoft軟件,進入Rmxprt, 開始SRG設計[4]。定、轉子材料都是D23鋼,轉子軸心定義為空氣,繞組為銅,結構、尺寸等基本參數見表1。
加載完這些參數,然后設置繞組參數、仿真計算參數,軟件就會自動生成開關磁阻電機模型,見圖1(b)-(e)。讓軟件對模型進行檢測,然后運行。運行結束后就可以查看仿真計算結果數據,如磁鏈圖、電流-轉速圖、效率-轉速圖等。
3.2 基于RMxprt的SRG參數優化
在設計前期,發電機的幾何尺寸、繞組匝數、導通角度、線規等參數無法準確給出,需要進行反復計算和嘗試,RMxprt不僅具有最基本的設計計算功能外,還具有強大的參數分析與優化設計功能。以SRG定子外徑單變量為例,使定子外徑從150mm~160mm變化,步長為1mm可得到SRG效率、磁鏈、輸出功率與定子外徑的關系(見圖2),可以看出,發電效率、磁鏈、輸出功率隨著定子外徑長度變化的結果,尋求在一定約束范圍內最優值,實現參數分析和優化。
3.3 基于Maxwell的SRG有限元分析
將RMxprt軟件設計的電機模型導入 Maxwell,軟件已經自動設置好求解器、模型平面、對象分組,建立了瞬態仿真模型[5]-[6],由于8/6極的對稱性,為了節約計算時間,軟件只對電機的上半部分進行分析, 2維、3維SRG模型和網格剖分別見圖3(a)、(b)。
3.4 網格剖分
通過網格剖分,Maxwell對SRG模型進行離散化分析,把SRG分解成許多子區域, 基于求解邊界問題的原理,選取恰當的嘗試函數,簡化每一個單元的計算,再求其結果總和。采用三角形有限元表示整個計算區域,形成的SRG網格圖,離散化結果見圖3(c)。
3.5 運動選項設置
針對電機旋轉時的磁場變化,采用SRG的瞬態電磁場分析,通過對其band面域進行運動設置,通過運動的方向、旋轉的初始位置、初始轉速和外接負載所產生的力矩等參數,來實現模型旋轉功能:發電機被原動機順時針拖動,旋轉初始位置為22.5°,忽略負載損耗。
3.6 外電路
功率變換器承擔著SRG的勵磁功率輸入和發電功率輸出的雙重任務。Maxwell可以自己定義外電路,設定控制回路構成一個完整系統。根據實際要求,采用電壓、電流控制型開關,通過一個電壓(或電流)大小來控制開關的導通/關斷,實現勵磁, 并進行低速段電流斬波控制,由電壓控制內部開關模塊計算開關角、周期、初始位置,上下兩個對應相的主開關是同時通/斷。電流控制型開關是由主電路電流的大小控制,便于實現電流斬波控制算法。
電源串聯的電流型控制開關是為了實現自勵,開關通過設置,可以在0.001秒的時刻關斷,勵磁電源脫離整個控制器。發電的時候開關斷開,繞組會通過續流二極管向負載供電或向電容充電,見圖4。
開關磁阻電機的位置速度檢測很重要,它是通過位置檢測,知道一個特定的時刻轉子的位置,發出觸發脈沖開通指定的功率變換器開關,維持電機運行。Maxwell本身帶有位置變量P,通過上一步設置的初始位置,分析得出正確的換向信號,通過電壓型開關進行位置設定,形成互為15°單向順序導通,在合適的時間勵磁可以使得輸出的轉矩脈動最小。
當開關磁阻電機工作在發電狀態,電流斬波控制(CCC)、角度位置控制(APC)、PWM控制適應范圍各有不同。低速穩態采用電流斬波控制。A相開通角為9°,關斷角為24°,額定轉速為1000r/min,參考電流為6A,滯環電流寬度為0.5A;其余相均按相同方法設置有關參數。
4 仿 真
4.1 SRG靜態性能
在Maxwell模塊下,SRG靜態電磁特性和動態特性很容易分析出來[7]。靜態特性見圖5。
圖5 (a)為相電流特性波形,從圖中可以看出,電流斬波使得電流趨于平緩,有效地避免了電流的峰值。圖5 (b)為相電感特性波形,因為電流斬波控制的原因,使得本來是三角形的相電感波形呈現抖動性。圖5 (c)為反電勢特性波形,反電動勢是由于線圈受到磁場的影響而對原電動勢產生的一個相對抗的電動勢,其對相電流的變化有影響。圖5 (d)為系統輸出電壓波形,因為負載是純阻性負載,輸出電壓恒定。圖5 (e)為轉矩波形,在不同的開通角、關斷角勵磁情況下,轉矩波形不斷變化,本文選取的轉矩脈動是實驗中幾組數據中最優設置得到的。
4.2 SRG的動態性能
保持發電機1000轉/分的轉速不變,忽略一切機械損耗,然后設置轉子的初始位置、求解起始時間和終止時間、線性步長、場信息保存時間步長等一系列參數,然后求解得到電流斬波控制下電機動態性能圖, 從中截選了0.02秒和0.03秒時刻的電機內部磁鏈和磁密云圖。
如圖6(a) 為0.02秒時發電機內部磁鏈圖,很清楚的看到D相磁鏈集中,此時導通的正是D相。圖6(b)為0.03秒時發電機內部的磁鏈圖,此時磁鏈在A相集中。圖6(c)和圖6(d)分別是0.02秒和0.03秒時刻的磁密云圖,可以對應圖6(a)和圖6(b),在相應地時刻對應相的飽和程度可以一目了然。
5 結 論
基于RMxprt Maxwell環境,建立8/6相開關磁阻發電機的仿真模型,完成對SRG系統的低速段電流斬波控制。仿真結果準確的反映了SRG在低速段的磁場分布,為發電機結構參數優化設計提供了依據。電磁參數的分析為建立SRG的非線性模型體提供了電磁特性參數,為在其他環境(如MATLAB)下SRG建模提供依據[8];電流和轉矩反映了SRG的基本性能,為在低速段選擇電流斬波控制模式的優點,為如何選擇開關磁阻風力發電系統最優的開通角和關斷角提供參考。
參考文獻
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