MANUTENÇÃO ELÉTRICA - Motores elétricos Arquivo

MANUTENÇÃO ELÉTRICA
INDUSTRIAL
* MOTORES ELÉTRICOS *
Vitória – ES
2006
6 – MOTORES ELÉTRICOS
6.1 NOÇÕES FUNDAMENTAIS
A primeira indicação de que poderia haver um intercâmbio entre a energia
elétrica e a energia mecânica foi mostrada por Michael Faraday em 1831, através
da Lei da Indução Eletromagnética, considerada uma das maiores descobertas
individuais para o progresso da ciência e aperfeiçoamento da humanidade.
Baseado nos estudos de Faraday, o físico italiano Galileu Ferraris, em 1885,
desenvolveu o primeiro motor elétrico assíncrono de corrente alternada.
O motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em
energia mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as
vantagens da utilização de energia elétrica – baixo custo, facilidade de
transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples,
custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos
tipos e melhores rendimentos.
Os tipos mais comuns de motores elétricos são:
a) Motores de Corrente Contínua – são motores de custo mais elevado e, além
disso, precisam de uma fonte de CC, ou de um dispositivo que converta a
corrente alternada disponível em contínua. Podem funcionar com velocidade
ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande
flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que
estas exigências compensam o custo mais alto da instalação.
b) Motores de Corrente Alternada – são os mais utilizados, porque a distribuição
de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Os principais
tipos são:
ƒ
Motor Síncrono: funciona com velocidade fixa, sendo utilizado somente
para grandes potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores)
ou quando se necessita de velocidade invariável.
ƒ
Motor de Indução: funciona normalmente com uma velocidade constante
que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a
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sua grande simplicidade, robustez e baixo custo é o motor mais utilizado
de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas
acionadas, encontradas na prática.
6.2 - MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
O motor de indução trifásico é composto fundamentalmente de duas partes:
estator e rotor.
Composição do Estator:
ƒ
Carcaça - é a estrutura suporte do conjunto; de estrutura robusta em ferro
fundido, aço ou alumínio injetado, resistente à corrosão e com aletas.
ƒ
Núcleo de chapas - as chapas são de aço magnético, tratadas termicamente
para reduzir ao mínimo as perdas no ferro.
ƒ
Enrolamento trifásico - três conjuntos iguais de bobinas, uma para cada fase,
formando um sistema trifásico ligado à rede trifásica de alimentação.
Composição do Rotor:
ƒ
Eixo - transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor. É tratado
termicamente para evitar problemas como empenamento e fadiga.
ƒ
Núcleo de chapas – as chapas possuem as mesmas características das
chapas do estator.
ƒ
Barras e anéis de curto-circuito – são de alumínio injetado sob pressão,
numa única peça.
Outras partes do motor de indução:
ƒ
Tampa lateral
ƒ
Ventilador
ƒ
Tampa defletora (protege o ventilador)
ƒ
Caixa de ligação
ƒ
Terminais
ƒ
Rolamentos
As descrições dadas são para um motor do tipo “rotor gaiola”, cujo rotor é
constituído por um conjunto de barras não isoladas e interligadas por anéis em
curto-circuito. O que caracteriza o motor de indução é que só o enrolamento do
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estator é ligado à rede de alimentação. O rotor não é alimentado externamente e
as correntes que circulam são induzidas eletromagneticamente pelo enrolamento
do estator.
6.3 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO – CAMPO GIRANTE
É sabido que “quando uma bobina é percorrida por uma corrente elétrica, é
criado um campo magnético dirigido conforme o eixo da bobina e de valor
proporcional à corrente”.
No
motor
trifásico,
os
3
enrolamentos
distribuídos
no
estator,
quando
alimentados por um sistema trifásico com defasagem de 120o elétricos, criam um
campo magnético resultante que gira no interior do estator. Este campo girante,
criado pelo enrolamento trifásico do estator, induz nas barras do rotor uma
tensão induzida (linhas de fluxo cortam as barras do rotor) as quais geram
correntes induzidas e, conseqüentemente, um campo magnético no rotor, de
polaridade oposta à do campo girante. Como campos opostos se atraem e como
o campo magnético do estator (campo girante) é rotativo, o rotor tende a
acompanhar a rotação deste campo. Desenvolve-se então no rotor, um
conjugado motor (torque, momento ou binário) fazendo com que ele gire,
acionando a carga.
6.4 - VELOCIDADE SÍNCRONA
A velocidade síncrona do motor é definida pela velocidade de rotação do campo
girante, a qual depende do número de pólos do motor e da freqüência da rede,
em hertz.
Os enrolamentos podem ser construídos com um ou mais pares de pólos que se
distribuem alternadamente (um “norte” e outro “sul”) ao longo da periferia do
núcleo magnético. O campo girante percorre um par de pólos a cada ciclo.
Assim, como o enrolamento tem “p” pólos, a velocidade do campo será:
Ns = 120 x f
p
3
Note que o número de pólos do motor terá de ser sempre par, para formar os
pares de pólos. Para as freqüências e “polaridades” usuais, as velocidades
síncronas são:
Número
Rotação síncrona (rpm)
de pólos 50 Hertz
60 Hertz
2
3000
3600
4
1500
1800
6
1000
1200
8
750
900
10
600
720
Para motores de “2 pólos”, o campo girante percorre uma volta completa no
estator a cada ciclo. Assim, os graus elétricos equivalem aos graus mecânicos.
Para motores com mais de 2 pólos, teremos de acordo com o número de pólos,
um giro “geométrico” menor.
6.5 - ESCORREGAMENTO OU DESLIZAMENTO
Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona, ou seja,
diferente da velocidade do campo girante, as barras do rotor “cortam” as linhas
de fluxo do campo girante e, pelas leis do eletromagnetismo, circularão nelas
correntes induzidas. Quanto maior for a carga, maior terá de ser o conjugado
necessário para acioná-la. Para obter este aumento de conjugado, terá que ser
maior a diferença de velocidade para que as correntes induzidas e os campos
produzidos sejam maiores. Portanto, à medida que a carga aumenta cai a
rotação do motor. Quando a carga é zero (motor a vazio) o rotor girará muito
próximo da rotação síncrona. A diferença entre a velocidade do motor n e a
velocidade síncrona Ns, que pode ser expressa em rpm, como fração da
velocidade síncrona, ou como porcentagem desta será:
s (rpm) = Ns – n
s = Ns – n
Ns
s (%) = Ns – n x 100
Ns
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6.6 - CARACTERÍSTICAS DA REDE DE ALIMENTAÇÃO
No Brasil, o sistema de alimentação pode ser monofásico ou trifásico. O sistema
monofásico é utilizado em serviços domésticos, comerciais e rurais, enquanto
que o sistema trifásico, é mais utilizado em aplicações industriais, ambos em 60
Hz.
As tensões monofásicas padronizadas no Brasil são as de 127 V e 220 V.
Os sistemas trifásicos mais usados nas redes industriais são;
Baixa tensão: 220 V, 380 V e 440 V.
Média tensão: 2300V, 4160 V e 6600 V.
A grande maioria dos motores elétricos trifásicos é fornecida com terminais do
enrolamento religáveis, de modo a permitir o funcionamento em redes de pelo
menos duas tensões diferentes. Os principais tipos de religação de terminais de
motores para funcionamento em mais de uma tensão são:
a) Ligação série-paralela – o enrolamento de cada fase é dividido em duas
partes. Ligando as duas metades em série, cada metade ficará com a metade da
tensão da fase nominal do motor. Ligando as duas metades em paralelo, o motor
poderá ser alimentado com uma tensão igual a metade da tensão anterior, sem
que se altere a tensão aplicada a cada bobina. Este tipo de ligação exige 9
terminais no motor e a tensão nominal (dupla) mais comum é 220/440 V.
b) Ligação estrela-triângulo – o enrolamento de cada fase tem duas pontas
disponibilizadas na caixa de ligação do motor. Se ligarmos as 3 fases numa
combinação em triângulo, cada enrolamento receberá a tensão da linha. Se
ligarmos as 3 fases numa combinação em estrela, o motor poderá ser ligado a
uma linha de tensão raiz de 3 vezes maior que a tensão anterior, sem alterar a
tensão no enrolamento.
Este tipo de ligação exige seis terminais no motor e serve para quaisquer
tensões nominais duplas, desde que a maior seja igual a menor multiplicada por
raiz de 3. Como exemplo, temos: 220/380 V ; 380/660 V; 440/760 V.
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c) Quatro tensões nominais – podemos combinar os dois casos anteriores:
cada enrolamento dividido em duas partes para ligação série-paralela e o
conjunto dos 3 enrolamentos na formação estrela ou triângulo. Desse modo,
temos quatro combinações possíveis de tensão nominal:
ƒ Ligação triângulo-paralelo: 220 V
ƒ Ligação estrela-paralela: 380 V
ƒ Ligação triângulo-série: 440 V
ƒ Ligação estrela-série: 760 V
Este tipo de ligação exige 12 terminais para operação nos quatro valores de
tensão nominal.
6.7 - CARACTERÍSTICAS DE REGIME
A potência útil fornecida pelo motor na ponta do eixo é menor que a potência
que o motor absorve da linha de alimentação, isto é, o rendimento do motor é
sempre inferior a 100%. A diferença entre as duas potências representa as
perdas que são transformadas em calor, o qual aquece o enrolamento e deve ser
dissipado para fora do motor para evitar que a elevação de temperatura seja
excessiva. O mesmo acontece em todos os tipos de motores.
O calor gerado pelas perdas no interior do motor é dissipado para o ar ambiente
através da superfície externa da carcaça. Nos motores fechados essa dissipação
é normalmente auxiliada pelo ventilador montado no próprio eixo do motor. Uma
boa dissipação depende:
ƒ
da eficiência do sistema de ventilação;
ƒ
da área total de dissipação da carcaça;
ƒ
da diferença de temperatura entre a superfície da carcaça e do ar ambiente.
O que realmente queremos limitar é a elevação da temperatura no enrolamento
sobre a temperatura do ar ambiente. Esta diferença total é comumente chamada
“elevação de temperatura” do motor e vale a soma da queda interna com a
queda externa.
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Assim o que interessa é reduzir a queda interna (melhorar a transferência de
calor) para poder ter uma queda externa maior possível, pois esta é que
realmente ajuda a dissipar o calor. Graças a projetos modernos de máquinas, o
uso de materiais avançados, processos de fabricação aprimorados sob um
permanente controle de qualidade, os motores podem apresentar uma ótima
transferência de calor do interior para a superfície eliminando “pontos quentes”
no enrolamento.
Era comum antigamente, verificar o aquecimento do motor, medindo, com a
mão, a temperatura externa da carcaça. Em motores modernos, este método
primitivo é completamente errado. Como vimos anteriormente, os critérios
modernos de projeto, procuram aprimorar a transmissão de calor internamente,
de modo que a temperatura do enrolamento fique um pouco acima da
temperatura externa da carcaça, onde ela realmente contribui para dissipar as
perdas. Em resumo, a temperatura da carcaça não dá indicação do aquecimento
interno do motor, nem de sua qualidade. Um motor frio por fora pode ter perdas
maiores
e
temperatura
mais
alta
no
enrolamento
do
que
um
motor
externamente quente.
6.8 - VIDA ÚTIL DO MOTOR
Sendo o motor de indução uma máquina robusta e de construção simples, a sua
vida útil depende quase que exclusivamente da vida útil da isolação dos
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enrolamentos. Esta é afetada por muitos fatores como umidade, vibrações,
ambientes corrosivos e outros.
Dentre todos os fatores, o mais importante é, sem dúvida, a temperatura de
trabalho dos materiais isolantes empregados. Um aumento de 8 a 10oC na
temperatura da isolação reduz sua vida útil pela metade. Quando falamos em
diminuição da vida útil do motor, não nos referimos às temperaturas elevadas,
quando o isolante se queima e o enrolamento é destruído de repente. Vida útil da
isolação (em termos de temperatura de trabalho, bem abaixo daquela em que o
isolante se queima), refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, que vai se
tornando ressecado, perdendo o poder isolante, até que não suporte mais a
tensão aplicada e produza o curto-circuito.
A experiência mostra que a isolação tem uma duração praticamente ilimitada, se
a sua temperatura for mantida abaixo de um certo limite. Acima deste valor, a
vida útil da isolação vai se tornando cada vez mais curta, à medida que a
temperatura de trabalho é mais alta. Este limite de temperatura é muito mais
baixo que a temperatura de “queima” do isolante e depende do tipo de material
empregado. Esta limitação de temperatura se refere ao ponto mais quente da
isolação e não necessariamente ao enrolamento todo. Evidentemente, basta um
“ponto fraco” no interior da bobina para que o enrolamento fique inutilizado.
Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento
(cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em
CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de
temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar
continuamente sem que seja afetada sua vida útil. As classes de isolamento
utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura
conforme NBR-7034 são as seguintes:
Classe de
Isolamento
A
E
B
F
H
C
Temperatura
105o C
120o C
130o C
155o C
180o C
> 180º C
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Os motores utilizados em regime contínuo devem ser protegidos contra
sobrecargas por um dispositivo integrante do motor, ou um dispositivo de
proteção independente, geralmente com relé térmico com corrente nominal ou
de ajuste, igual ou inferior ao valor obtido multiplicando-se a corrente nominal
de alimentação a plena carga por:
ƒ
1,25: para motores com fator de serviço igual ou superior a 1,15.
ƒ
1,15: para motores com fator de serviço igual a 1,0. (NBR 5410)
Chama-se “Fator de Serviço” (FS) o fator que, aplicado à potência nominal,
indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob
condições especificadas. Note que se trata de uma capacidade de sobrecarga
contínua, ou seja, uma reserva de potência que dá ao motor uma capacidade de
suportar melhor o funcionamento sob condições desfavoráveis.
6.9 - CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE
Para analisar a viabilidade do uso de um motor em uma determinada aplicação
deve-se levar em consideração alguns parâmetros entre os quais:
ƒ
Altitude em que o motor será instalado;
ƒ
Temperatura do meio refrigerante.
Conforme a NBR-7094, as condições usuais de serviço são:
a) Altitude não superior a 1000m acima do nível do mar;
b) Meio refrigerante (na maioria das vezes o ar ambiente) com temperatura não
superior a 40oC e isenta de elementos nocivos.
Até esses valores de altitude e temperatura ambiente, consideram-se condições
normais e o motor deve fornecer, sem sobreaquecimento, sua potência nominal.
Motores funcionando em altitudes acima de 1000m apresentam problemas de
aquecimento, causado pela rarefação do ar e, conseqüentemente, diminuição do
seu poder de arrefecimento. A insuficiente troca de calor entre o motor e o ar
circulante leva a exigência de redução de perdas, o que significa também,
redução de potência.
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Motores que trabalham em temperatura abaixo de –20oC, apresentam os
seguintes problemas:
ƒ
Excessiva condensação, exigindo drenagem adicional ou instalação de
resistência de aquecimento, caso o motor fique longos períodos parado.
ƒ
Formação de gelo nos mancais, provocando endurecimento das graxas ou
lubrificantes nos mancais, exigindo o emprego de lubrificantes especiais ou
graxa anticongelante.
Motores que trabalham na temperatura ambiente acima de 40o C, o enrolamento
pode atingir temperaturas prejudiciais à isolação. Este fato tem que ser
compensado por um projeto especial do motor, usando materiais isolantes
especiais ou pela redução da potência nominal do motor.
6.10 - ATMOSFERA AMBIENTE
Ambientes agressivos, tais como estaleiros, instalações portuárias, indústrias de
pescados, aplicações navais, indústrias químicas e petroquímicas, indústrias de
cimento, etc., exigem que os motores que neles trabalham, sejam perfeitamente
adequados para suportar tais circunstâncias, com elevada confiabilidade, sem
apresentar problemas de qualquer espécie.
Os motores para esses ambientes, apresentam algumas características especiais
que os diferem dos demais, de uso geral. Como exemplo podemos citar algumas
dessas características:
ƒ
Enrolamento duplamente impregnado;
ƒ
Pintura anti-corrosiva interna e externa;
ƒ
Placa de identificação em aço inoxidável;
ƒ
Ventilador de material não faiscante;
ƒ
Retentores de vedação entre o eixo e as tampas;
ƒ
Juntas de borracha para vedar a caixa de ligação;
ƒ
Caixa de ligação de ferro fundido.
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6.11 - GRAUS DE PROTEÇÃO
A norma NBR-6146 define os graus de proteção dos equipamentos elétricos por
meio das letras características IP, seguidas por dois algarismos.
1o Algarismo: indica o grau de proteção contra penetração de corpos sólidos
estranhos e contato acidental.
1o ALGARISMO
ALGARISMO
INDICAÇÃO
0
Sem proteção
1
Corpos estranhos de dimensões acima de 50 mm
2
Corpos estranhos de dimensões acima de 12 mm
3
Corpos estranhos de dimensões acima de 2,5 mm
4
Corpos estranhos de dimensões acima de 1,0 mm
5
Proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao motor
6
Totalmente protegido contra a poeira
2o Algarismo: indica o grau de proteção contra penetração de água no interior do
motor.
2o ALGARISMO
ALGARISMO
INDICAÇÃO
0
Sem proteção
1
Pingos de água na vertical
2
Pingos de água até a inclinação de 15o com a vertical
3
Água de chuva até a inclinação de 60o com a vertical
4
Respingos de todas as direções
5
Jatos d’ água de todas as direções
6
Água de vagalhões
7
Imersão temporária
8
Imersão permanente
As combinações entre os dois algarismos, isto é, entre os dois critérios de
proteção, estão resumidos na tabela a seguir.
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Motor
Classes
de
Proteção
IP00
1o Algarismo
Proteção contra
Proteção
contra contato corpos estranhos
não tem
não tem
não tem
não tem
IP11
Toque acidental
com a mão
IP12
Toque acidental
com a mão
Corpos estranhos
sólidos de
dimensões acima
de 50mm
Corpos estranhos
sólidos de
dimensões acima
de 50mm
IP02
MOTORES
ABERTOS
IP13
MOTORES
FECHADOS
Toque acidental
com a mão
Corpos estranhos
sólidos de
dimensões acima
de 50mm
IP21
Toque com os
dedos
IP22
Toque com os
dedos
Corpos estranhos
sólidos de
dimensões acima
de 12mm
Corpos estranhos
sólidos de
dimensões acima
de 12mm
IP23
Toque com os
dedos
IP44
Toque com
ferramentas
IP54
IP55
IP(W)55
Corpos estranhos
sólidos de
dimensões acima
de 12mm
Corpos estranhos
sólidos de
dimensões acima
de 1mm
Proteção
Proteção contra
completa contra acúmulo de poeiras
toques
nocivas
Proteção
Proteção contra
completa contra acúmulo de poeiras
toques
nocivas
Proteção
Proteção contra
completa contra acúmulo de poeiras
toques
nocivas
2o Algarismo
Proteção
contra
água
não tem
Pingos de água
até uma
inclinação de
15o com a
vertical
Pingos de água
na vertical
Pingos de água
até uma
inclinação de
15o com a
vertical
Água de chuva
até uma
inclinação de
60o com a
vertical
Pingos de água
na vertical
Água de chuva
até uma
inclinação de
15o com a
vertical
Água de chuva
até uma
inclinação de
60o com a
vertical
Respingos de
todas as
direções
Respingos de
todas as
direções
Jatos de água
em todas as
direções
Chuva
Maresia
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Para aplicações especiais mais rigorosas, são comuns também os graus de
proteção IPW55 (proteção contra intempéries = chuva, maresia, etc.) também
chamados de motores de uso naval, IP56 (proteção contra “água de vagalhões”)
e IP65 (totalmente protegido contra poeiras).
6.12 - AMBIENTES PERIGOSOS
Uma instalação onde produtos inflamáveis são continuamente manuseados,
processados ou armazenados necessita, obviamente, de cuidados especiais que
garantam a manutenção do patrimônio e preservem a vida humana. Os
equipamentos elétricos, por suas próprias características, podem representar
fontes de ignição, quer seja pelo centelhamento normal, devido à abertura ou
fechamento de contatos, quer seja por superaquecimento de algum componente,
seja ele intencional ou causado por correntes de defeito.
Uma atmosfera é explosiva quando a proporção de gás, vapor, pó ou fibras é tal,
que uma faísca proveniente de um circuito elétrico ou o aquecimento de um
aparelho provoca a explosão. Para que se inicie uma explosão, três elementos
são necessários:
Combustível + Oxigênio + Faísca = EXPLOSÃO
De acordo com as normas da ABNT/IEC, as áreas de risco são classificadas em:
ZONA 0 – região onde a ocorrência de mistura inflamável e/ou explosiva é
contínua, ou existe por longos períodos. Por exemplo, a região interna de um
tanque de combustível. A atmosfera explosiva está sempre presente.
ZONA 1 – região onde a probabilidade de ocorrência de mistura inflamável e/ou
explosiva está associada à operação normal do equipamento e do processo. A
atmosfera explosiva está freqüentemente presente.
ZONA 2 – locais onde a presença de mistura inflamável e/ou explosiva não é
provável de ocorrer, e se ocorrer, é por poucos períodos. Está associada à
operação anormal do equipamento e do processo, perdas ou uso negligente. A
atmosfera explosiva pode acidentalmente estar presente.
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Motores com invólucros à prova de explosão, são aqueles em que as partes que
podem inflamar uma atmosfera explosiva, são confinados em invólucros que
suportam a pressão durante uma explosão interna de uma mistura explosiva e,
que previnem a transmissão da explosão para uma atmosfera explosiva.
6.13 - CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS
As dimensões dos motores elétricos são padronizadas de acordo com a NBR5432 as quais acompanham a International Eletrotechnical Commission – IEC
60072. Nestas normas a dimensão básica para a padronização das dimensões de
montagem de máquinas elétricas é a altura do plano da base ao centro da ponta
do eixo, denominado de H.
A cada altura de ponta de eixo H é associada uma dimensão C, distância do
centro do furo dos pés do lado da ponta do eixo ao plano do encosto da ponta de
eixo. A cada dimensão H, contudo, podem ser associadas várias dimensões B
(dimensão axial da distância entre centros dos furos dos pés), de forma que é
possível ter-se motores mais “longos” ou mais “curtos”.
Entende-se por forma construtiva, como sendo o arranjo das partes construtivas
das máquinas com relação à sua fixação, à disposição de seus mancais e à ponta
de eixo, que são padronizados pela NBR-5031.
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