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BR112021013472A2 - Sistema hidráulico de velocidade contínuo variável e método de controle da saída de um motor - Google Patents

Sistema hidráulico de velocidade contínuo variável e método de controle da saída de um motor Download PDF

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BR112021013472A2
BR112021013472A2 BR112021013472-7A BR112021013472A BR112021013472A2 BR 112021013472 A2 BR112021013472 A2 BR 112021013472A2 BR 112021013472 A BR112021013472 A BR 112021013472A BR 112021013472 A2 BR112021013472 A2 BR 112021013472A2
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BR
Brazil
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hydraulic
pneumatic
input shaft
speed
chamber
Prior art date
Application number
BR112021013472-7A
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English (en)
Inventor
Douglas S. Hirsh
Radovan HRINDA
Original Assignee
Prosto Wind Power
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Publication date
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Abstract

sistema hidráulico de velocidade contínuo variável que tem controles de velocidade hidráulicos e pneumáticos e um método de uso. uma transmissão contínuo variável hidráulica fornecida para conectar uma turbina eólica e um gerador. a transmissão contínuo variável hidráulica tem uma roda de pá principal e inúmeras rodas de pá secundárias para controle de velocidade macro. também são fornecidas rodas de pá pneumáticas para controle de velocidade micro. está incluído um controlador que mede a saída de ca elétrica caracterizada para carga ou linha para controle de velocidade.

Description

SISTEMA HIDRÁULICO DE VELOCIDADE CONTÍNUO VARIÁVEL E MÉTODO DE CONTROLE DA SAÍDA DE UM MOTOR CAMPO DA INVENÇÃO
[001] Esta invenção se refere a um sistema que usa uma transmissão contínuo variável com auxílio pneumático para controle de velocidade de nível micro e otimização de geração de potência de uma turbina (eólica ou hidráulica) através da avaliação de características elétricas de CA na carga/linha após realizar geração de energia de toda uma disposição de alimentação.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] As transmissões contínuo variáveis (CVT) são conhecidas e foram usadas em bicicletas, veículos motorizados, guinchos, guindastes, para transferência de energia e similares. Existem muitas variações de projeto que foram desenvolvidas para esses dispositivos, e os tipos incluem polias com diâmetro variável com correias, toroidais ou baseadas em cilindro, baseadas em atrito, de base hidrostática, baseadas em catraca, magnéticas, etc.
[003] Os exemplos de Patentes dos Estados Unidos que se referem à CVT incluem os números US 4.565.110, 4.970.862, 4.945.482, 4.922.717, 5.072.587,
4.916.900, 4.914.914, 4.850.192 e 4.838.024, todas as quais são incorporadas na presente invenção em sua totalidade a título de referência. Essa técnica anterior descreve a velocidade de CVT através de bombas, pistões, engrenagens, correias, polias, embreagens ou válvulas para regular a velocidade macro do eixo secundário para veículos.
[004] Outro exemplo de uma CVT é encontrado na Patente dos Estados Unidos nº US 7.679.207, também incorporada por referência. Esta patente descreve genericamente um sistema que inclui um aparelho de energia eólica, CVT, gerador e controle de CVT. O grande detalhe é fornecido para a descrição de turbina eólica, enquanto a CVT e o tacômetro são genericamente definidos. As técnicas de controle de CVT da velocidade de eixo são designadas por inclinação e deflexão de pá das turbinas e através do posicionamento de um controlador. Em outras palavras, o controlador está compensando a velocidade saída da CVT ao ajustar a velocidade de acionamento da turbina por características físicas da própria turbina. Uma turbina eólica de qualquer configuração tem um eixo de acionamento e essa disposição pode ser considerada um “motor”.
[005] A transmissão contínuo variável (CVT) em termos gerais fornece um método mecânico de velocidade variável entre o motor e um gerador, o gerador gerando eletricidade como um resultado da operação da turbina eólica ou do motor.
[006] No entanto, existe uma necessidade por melhorias em CVT em vista de seus projetos mecanicamente complexos e dispendiosos e modos limitados de controle. A presente invenção atende à essa necessidade com uma CVT melhorada.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[007] A presente invenção fornece uma CVT hidráulico pneumaticamente assistido que não requer bombas, pistões, engrenagens, correias, polias, embreagens ou válvulas para variar a pressão de fluido hidráulico para operação. Uma parte do controle de operação é com um controlador lógico programável, ou dispositivo ou meio similar que monitora a saída da saída de inversor para carga/linha elétrica e, então, controla o sistema, incluindo aspectos tanto hidráulicos quanto pneumáticos, para controle de velocidade variável da CVT para produzir uma fonte elétrica de equilíbrio reativo e minimizar erráticas de carga.
[008] A invenção também fornece armazenamento de energia pneumático para acionar o gerador, quando desengatado da turbina eólica, para produzir eletricidade durante condições de vento muito baixas ou muito altas.
[009] Os recursos da invenção incluem:
[010] um dispositivo de velocidade contínuo variável hidráulica (CVT) para ajuste de velocidades de nível macro;
[011] um sistema pneumático para ajustes de velocidade de nível micro de CVT;
[012] um método de armazenamento de energia pneumático para acionamento direto de gerador de turbina;
[013] um método de controle pneumático para gerador de frenagem, e
[014] um sistema de controle que mede a característica elétrica de CA da saída do sistema de energia para a carga/linha, em que o sistema de controle pode ativar uma série de válvulas de controle para ajustar velocidade de CVT no nível micro.
[015] Mais especificamente, a invenção inclui tanto um sistema hidráulico de velocidade contínuo variável quanto um método de uso. O sistema tem um eixo de saída de turbina e eixo de entrada de gerador elétrico. O sistema inclui um sistema hidráulico que tem primeira câmara hidráulica conectada ao eixo de saída de turbina e uma segunda câmara hidráulica conectada ao eixo de entrada de gerador elétrico. As primeira e segunda câmaras hidráulicas estão em comunicação hidráulica entre si, as primeira e segunda câmaras hidráulicas são para ajuste de velocidade de nível macro do eixo de entrada de gerador elétrico.
[016] O sistema também tem um sistema pneumático que tem uma primeira e uma segunda câmaras pneumáticas. A primeira câmara pneumática é conectada ao eixo de saída de turbina para produzir ar comprimido e armazená- lo em pelo menos um tanque de armazenamento. A segunda câmara pneumática é conectada ao eixo de entrada de gerador elétrico e ao pelo menos um tanque de armazenamento para um ou mais dentre ajuste de velocidade micro do eixo de entrada de gerador elétrico, frenagem do eixo de entrada de gerador elétrico e acionamento direto do eixo de entrada de gerador elétrico.
[017] O sistema também inclui um controlador, o controlador monitorando a saída de um gerador elétrico conectado ao eixo de entrada de gerador elétrico, comparando a saída com uma carga/linha de uma rede de distribuição elétrica e ajustando a velocidade do gerador elétrico eixo com base em medições da carga/linha da rede de distribuição elétrica usando um ou mais dentre o sistema hidráulico e o sistema pneumático para gerenciar energia suprida para a rede de distribuição elétrica.
[018] O sistema hidráulico pode incluir uma série de rodas de pá hidraulicamente alimentadas, pelo menos uma roda de pá associada à primeira câmara hidráulica e uma pluralidade de rodas de pá associada à segunda câmara hidráulica. Cada roda de pá tem uma válvula de entrada e saída, a operação das válvulas de entrada e saída é controlada pelo controlador.
[019] As rodas de pá na segunda câmara hidráulica são diferentemente dimensionadas e, preferencialmente, se situam na faixa de tamanho da menor para a maior em uma direção voltada para o gerador elétrico com a finalidade de aumentar ou diminuir a velocidade do eixo de entrada de gerador elétrico. O sistema hidráulico também inclui um reservatório em comunicação com as primeira e segunda câmaras hidráulicas.
[020] O sistema pneumático inclui pelo menos uma roda de pá associada à primeira câmara pneumática e pelo menos uma roda de pá associada à segunda câmara pneumática.
[021] A invenção também inclui um método de controle da saída de uma turbina que compreende fornecer o sistema hidráulico de velocidade contínuo variável descrito acima entre a turbina e um gerador elétrico e controlar a velocidade do eixo de entrada de gerador elétrico usando o controlador, o sistema hidráulico e o sistema pneumático.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[022] A Figura 1 retrata uma modalidade de um sistema de turbina para gerar energia elétrica através de uma disposição de gerenciamento de energia e uma que inclui uma CVT.
[023] A Figura 2 fornece mais detalhes da CVT da Figura 1, incluindo recursos relacionados a controle de velocidade macro hidráulico, regulagem de velocidade micro pneumática, frenagem pneumática e operações de suporte da CVT.
[024] A Figura 3 ilustra uma configuração de roda de pá exemplificativa dos módulos pneumáticos e hidráulicos para a CVT das Figuras 1 e 2.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[025] A Figura 1 ilustra uma modalidade de sistema 700 que inclui uma turbina ou motor 500 eólico, uma CVT hidráulica pneumaticamente assistida integrada 503 e um gerador 505. A CVT 503 é posicionada entre o motor 500 e o gerador 505. A CVT tem adaptadores de eixo 101A e 101B para conexão com o motor 500 e o gerador 505, respectivamente. Um tacômetro 501 pode ser adicionado para operação de frenagem de segurança pneumática se assim for desejado.
[026] A CVT tem uma série de válvulas hidráulicas 216, 217, 226, 227, 236, 237, 246, 247, 256 e 257. Essas válvulas fornecem seleção de câmaras hidráulicas primárias para controle de velocidade. As válvulas de controle pneumáticas 306, 311, 314 e 319 são também fornecidas e essas válvulas fornecem assistência secundária para controle de velocidade do CVT 503.
[027] O reservatório hidráulico 290 é dotado da válvula 291. O reservatório hidráulico 290 supre fluido hidráulico para operação. Também incluída como parte do sistema está uma pluralidade de tanques de armazenamento pneumáticos, dois fornecidos como 308 e 338, mas tanques de armazenamento adicionais poderiam ser fornecidos se existe necessidade por mais armazenamento. Os tanques de armazenamento pneumáticos 308 e 338 são fornecidos para operações de ar usando uma variedade de válvulas de controle separadas, duas mostradas como 329, 339, para assistência secundária da CVT 503 e armazenamento de energia pneumático para geração de potência contínua.
[028] As válvulas de alívio de segurança 330 e 340 são fornecidas em cada tanque de armazenamento pneumático 308 e 338, respectivamente, para propósitos de segurança.
[029] Um controlador de sistema 502 é fornecido e posicionado após o conversor/inversor 508. O controlador 502 monitora as características elétricas de saída do sistema de geração de potência 700 em comparação com a carga ou a rede de distribuição elétrica 510 para regular constantemente as operações do sistema de geração de potência 700.
[030] A Figura 2 fornece detalhes adicionais da CVT hidráulica pneumaticamente assistida integrada 503. O adaptador de eixo 101A é fixado ao motor 500 e fornece um eixo de acionamento 102 através de uma câmara pneumática superior 350 e uma câmara hidráulica superior 200.
[031] Uma engrenagem cônica 301 é fornecida acima da câmara pneumática 350 e é fixada ao eixo de acionamento 102 para operação seletiva de um compressor de ar integrado 303 fornecido na câmara pneumática 350. O compressor 303 é operacional quando uma engrenagem cônica correspondente 302 que é conectada a um eixo 304 e a engrenagem cônica 301 são engatadas por um atuador de ar 321 que é controlado pela válvula 322. A energia pneumática é entregue ao tanque de armazenamento 308 através da válvula de controle 306 e da porta 307. Essa energia pneumática também pode ser usada para desativar o atuador 321 e desengatar as engrenagens 301 e 302. A admissão e a exaustão de suprimento de ar atravessam a porta 323 na câmara pneumática.
[032] A CVT 503 também inclui câmaras hidráulicas 200 e 201, com a câmara 200 sendo uma fonte primária para entrega de fluido. Um sistema de linhas hidráulicas 204, 205, 214, 215, 224, 225, 234, 235, 244, 245, 254 e 255 opera através das câmaras hidráulicas 200 e 201, enquanto linhas hidráulicas externas 206, 207 interconectam cada uma das linhas através de uma série de válvulas de controle 216, 217, 226, 227, 236, 237, 246, 247, 256 e 257. Uma válvula de sangria 260 é fornecida na linha 207 para propósitos de sangria. Uma válvula de reservatório 291 é fornecida para a linha 206 e essa válvula oferece a capacidade para fluido hidráulico desviar para desengatar o motor 500 do gerador 505 hidraulicamente.
[033] A câmara hidráulica 200 tem uma roda de pá hidráulica primária 202, que está localizada dentro de uma câmara interna 203. A roda de pá 202 propele o fluido hidráulico a uma taxa com base na velocidade de rotação da turbina para os acionamentos hidráulicos secundários selecionados 212, 222, 232, 242 ou 252, que estão localizados na câmara hidráulica secundária 201. O fluido hidráulico é direcionado a um ou mais dos acionamentos hidráulicos secundários, com base nisso, o par de válvulas de controle 216/217, 226/227, 236/237, 246/247 ou 256/257 é selecionado. Os acionamentos hidráulicos secundários são também rodas de pá 212, 222, 232, 242, e 252, as rodas de pá localizadas dentro das câmaras internas 213, 223, 233, 243 e 253, respectivamente. As rodas de pá 212, 22, 232, 242 e 252 são dimensionadas em proporção ao aumento ou à diminuição em velocidade de turbina exigida para operações macro de faixa ampla do gerador 505.
[034] Uma câmara pneumática secundária 351 é fornecida e posicionada entre o gerador e a câmara hidráulica secundária 201. A câmara pneumática secundária 351 fornece a capacidade de otimizar a velocidade de gerador 505 para minimizar desequilíbrios de carga ou linha 510. O ar comprimido do tanque de armazenamento 308 é suprido através da porta 310 para aumentar velocidades de gerador 505, enquanto a porta 314 é utilizada para diminuir velocidades de gerador 505. As válvulas de controle 311, 314 e 319 são fornecidas e usadas para gerenciar essas micro-operações de controle de velocidade. A câmara pneumática secundária 351 inclui a roda de pá 317, que está localizada em uma câmara secundária 318 da câmara pneumática secundária 351. A roda de pá 317 fornece um meio para ajustar a velocidade de gerador 505 por incrementos pequenos de modo que a regulagem da energia fornecida para a carga/linha 510 seja quase instantânea. Isso permite o gerenciamento da consistência e da qualidade da energia fornecida para a carga/linha 510.
[035] A CVT hidráulica integrada de sobremarcha pneumática 503 pode também ser usada para operação do gerador 505 quando nenhuma ou mínima rotação de motor 500 ocorre. Com a série de tanques de armazenamento 338, etc. fazendo interface com o tanque de armazenamento primário 308, as válvulas de controle 311, 314, 319, 320 e 329, que fornecem ar comprimido para a roda de pá 317, e as válvulas de controle 260 e 291, que podem cortar o suprimento hidráulico para as câmaras hidráulicas 200 e 201, são controladas para girar o eixo interno 103, que, por sua vez, gira um eixo do gerador 505 através de acoplamento de interface 101B para produzir eletricidade na energia gerenciada que corresponde à carga/linha 510.
[036] A Figura 3 fornece mais detalhes sobre uma roda de pá para uso na CVT 503. Conforme descrito acima, a câmara 200 tem roda de pá 202 e a câmara 201 tem rodas de pá 212, 222, 232, 242, e 252, com cada roda de pá posicionada em suas respectivas câmaras internas 203, 213, 223, 233, 243 e 253. Por exemplo, a roda de pá 202 inclui uma série de pás 209, que estão localizadas nos graus X na rotação axial em torno da roda 203. Vedações 210 estão localizadas em torno da câmara interna 203 em graus Y em rotação axial criando quatro áreas vedadas durante a rotação da roda de pá 202. Uma área vedada é mostrada como "A", em que as duas pás 209' e 209” se encontram com as vedações 210' e 210." Os períodos entre as limpezas permitem a autolubrificação de roda de pá
202.
[037] O tubo de entrada 204 permite que o fluido hidráulico entre na câmara conforme necessário, com base na descarga de fluido da roda de pá 202 através do tubo 205 conforme o eixo 102 gira. O fluido do tubo 205 entra no tubo 206 e flui através da válvula de controle selecionada 217, 227, 237, 247 ou 257 para a roda de pá 212, 222, 232, 242 e 252 apropriada com a descarga do fluido da câmara interna 213, 223, 233, 243 e 253 sendo liberada através de portas de descargas 214, 224, 234, 244 e 254 para o tubo 207 através da válvula de controle parceira selecionada 216, 226, 236, 246 e 256. O tubo 207 retorna o fluido para a alimentação primária 204 da câmara de roda de pá 203 e da roda de pá 202 para completar o ciclo hidráulico para controle de velocidade macro dentro da CVT 503. Tipicamente, as razões de 2 e 3 vezes para aumento e diminuição de velocidades em comparação com as velocidades de turbina são designadas para esse nível macro.
[038] O aspecto pneumático da CVT 503 permite para velocidades de nível micro entre a razão de velocidades macro. Mais particularmente, quando a engrenagem cônica 301, fixada ao eixo de acionamento 102 é engatada na engrenagem cônica 302 por meio do êmbolo 304, um compressor de ar tipo espiral ou parafuso 303 é ativado quando as velocidades do vento estão disponíveis. Isso permite que o ar atmosférico entre no tubo de entrada 323, seja comprimido e saia através da válvula de controle 306 para o tanque de armazenamento 308 através da porta 307. O ar comprimido pode, então, ser fornecido do tanque de armazenamento 308 através das portas 310 e 311. As válvulas de controle 311 e 314 são ativadas rapidamente para reduzir ou aumentar a velocidade do eixo 103 por meio da roda de pás 317. Para que o sistema hidráulico permita esses ajustes micro, a válvula de sangria 260 e a válvula de reservatório 291 são momentaneamente abertas para permitir compensações de pressão. A pressão de ar é aliviada através da válvula de exaustão 319 quando se aumenta a velocidade de eixo do gerador 505. A diminuição da velocidade de eixo 103 é gerada quando a válvula de controle 314 é ativada e a válvula de exaustão 319 é fechada com ciclos de pulso de modo que o ar comprimido em linha 315 seja direcionado de volta para a roda de pá 317. O tempo desses ciclos de pulso para controle de velocidade micro é gerado pelo controlador 502 para corresponder à forma de onda elétrica CA da carga/rede 510 para garantir que os fatores de potência sejam maximizados.
[039] As duas câmaras pneumáticas 350 e 351 permitem a frenagem do gerador até a parada total abrindo totalmente a válvula de controle/válvula de sangria 260 e a válvula de reservatório 291, enquanto fecha todas as válvulas de controle hidráulico 216, 217, 226, 227, 236, 237, 246, 247, 256 e 257. O fluido, então, dá um ciclo simples da roda de pás 202 até o reservatório 290, enquanto a válvula de controle pneumático 314 é aberta e 319 é fechada criando uma contrapressão para impedir que o eixo 103 gire.
[040] A pluralidade de tanques de armazenamento pneumáticos 308, 338, também pode fornecer a energia pneumática armazenada para girar o eixo 103 e acionar o gerador 505 quando não há vento para acionar o motor 500. Nesse modo, a válvula de controle/válvula de sangria 260 e a válvula de reservatório 291 são totalmente abertas e todas as válvulas de controle hidráulico 216, 217, 226, 227, 236, 237, 246, 247, 256 e 257 estão fechadas. Com esse estado de operação, o sistema hidráulico está em neutro. Em seguida, a válvula de controle
311 e 319 pode ser aberta e isso permite que a energia pneumática opere a roda de pás 317, o que resulta em girar o eixo 103 na velocidade apropriada para o gerador do operador 505 para coincidir com a forma de onda elétrica CA da carga/rede 510.
[041] O sistema e o método da invenção fornecem uma maneira muito melhorada de tomar a rotação do eixo do motor, por exemplo, uma turbina eólica, e transmitir essa rotação para um gerador tanto em velocidade macro quanto em velocidade microcontrolada. A invenção também fornece a capacidade de desconectar o motor do gerador ou operar o gerador quando o motor não está girando ou girando em um nível insignificante.
[042] Como tal, uma invenção foi divulgada em termos de modalidades preferidas da mesma que cumpre cada um dos objetivos da presente invenção conforme estabelecido acima e fornece um sistema novo e melhorado para gerar energia usando um motor, CVT e gerador e um método de uso.
[043] Obviamente, várias mudanças, modificações e alterações dos ensinamentos da presente invenção podem ser contempladas por aqueles técnicos no assunto sem se afastar do espírito e escopo pretendido das mesmas. Pretende-se que a presente invenção seja apenas limitada pelos termos das reivindicações anexas.

Claims (8)

REIVINDICAÇÕES:
1. Sistema hidráulico de velocidade contínuo variável, caracterizado pelo fato de que tem um eixo de saída de turbina e eixo de entrada de gerador elétrico e compreende: um sistema hidráulico que tem primeira câmara hidráulica conectada ao eixo de saída de turbina e uma segunda câmara hidráulica conectada ao eixo de entrada de gerador elétrico, as primeira e segunda câmaras hidráulicas em comunicação hidráulica entre si, as primeira e segunda câmaras hidráulicas para ajuste de velocidade de nível macro do eixo de entrada de gerador elétrico; um sistema pneumático que tem uma primeira câmara pneumática conectada ao eixo de saída de turbina para produzir ar comprimido e armazená- lo em pelo menos um tanque de armazenamento, uma segunda câmara pneumática conectada ao eixo de entrada de gerador elétrico e ao pelo menos um tanque de armazenamento para um ou mais dentre ajuste de velocidade micro do eixo de entrada de gerador elétrico, frenagem do eixo de entrada de gerador elétrico e acionamento direto do eixo de entrada de gerador elétrico, e um controlador para monitorar a saída de um gerador elétrico conectado ao eixo de entrada de gerador elétrico, comparar a saída com uma carga/linha de uma rede de distribuição elétrica e ajustar a velocidade do gerador elétrico eixo com base em medições da carga/linha da rede de distribuição elétrica com o uso de um ou mais dentre o sistema hidráulico e o sistema pneumático para gerenciar energia suprida para a rede de distribuição elétrica.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, uma série de rodas de pá hidraulicamente alimentadas, pelo menos uma roda de pá associada à primeira câmara hidráulica e uma pluralidade de rodas de pá associada à segunda câmara hidráulica, cada roda de pá tendo uma válvula de entrada e saída, sendo a operação das válvulas de entrada e saída controlada pelo controlador.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as rodas de pá na segunda câmara hidráulica são diferentemente dimensionadas.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as rodas de pá na segunda câmara hidráulica se situam na faixa de tamanho da menor para a maior em uma direção voltada para o gerador elétrico com a finalidade de aumentar ou diminuir a velocidade do eixo de entrada de gerador elétrico.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um reservatório em comunicação com as primeira e segunda câmaras hidráulicas.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema pneumático inclui pelo menos uma roda de pá associada à primeira câmara pneumática e pelo menos uma roda de pá associada à segunda câmara pneumática.
7. Método de controle da saída de um motor, caracterizado pelo fato de que compreende fornecer o sistema hidráulico de velocidade contínuo variável, conforme definido na reivindicação 1, entre o motor e um gerador elétrico e controlar a velocidade de um eixo de entrada de gerador elétrico com o uso do controlador, do sistema hidráulico e do sistema pneumático.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o motor é uma turbina eólica.
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