ES2227582T3 - Dispositivos para la alimentacion de tension con dos tensiones de salida. - Google Patents
Dispositivos para la alimentacion de tension con dos tensiones de salida.Info
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Abstract
SE PROPONE UN DISPOSITIVO PARA ABASTECIMIENTO DE TENSION, EN PARTICULAR EN UNA RED DE A BORDO DE UN VEHICULO, CON UN GENERADOR Y UN PUENTE RECTIFICADOR QUE SIGUE A CONTINUACION, DONDE AL MENOS ES CONTROLABLE UN COMPONENTE RECTIFICADOR. ADICIONALMENTE EL GENERADOR DISPONE DE UN SEGUNDO TERMINAL CONECTADO MEDIANTE AL MENOS UN COMPONENTE RECTIFICADOR ADICIONAL AL ARROLLAMIENTO DE ESTATOR. EL GENERADOR ES REGULADO DE TAL MODO, SOBRE CARGA PARCIAL, QUE LA CORRIENTE DE EXCITACION ES CONTROLADA EN EL CASO DE UN GENERADOR CONTROLADO DE FORMA REMOTA Y LA TENSION Y LA CORRIENTE SON CONTROLADAS EN EL CASO DE UN GENERADOR EXCITADO DE FORMA PERMANENTE MEDIANTE UN REGULADOR ADICIONAL, MIENTRAS QUE SE EFECTUA UNA REGULACION DE CARGA COMPLETA A TRAVES DE LA LIMITACION DE LA CORRIENTE (IL) DE CARGA.
Description
Dispositivo para la alimentación de tensión con
dos tensiones de salida.
La invención se refiere a un dispositivo para la
alimentación de tensión en una red de a bordo de un vehículo según
el concepto genérico de la reivindicación principal.
Se sabe que en una red de a bordo de un vehículo
en la que la tensión de alimentación necesaria para el consumidor
eléctrico se genera mediante un generador, el generador debería
alimentar más de una tensión de alimentación para que se garantice
una alimentación fiable específica para los componentes. Para ello,
en el documento DE-OS 37 41 244 se propone
configurar un generador de corriente trifásica de excitación
independiente de tal manera que, además de la tensión rectificada
habitual de la red de a bordo, se facilitan adicionalmente tensiones
de corriente trifásica que se utilizan directamente para alimentar
un dispositivo de calefacción para las lunas de cristal. Además, la
regulación del generador se realiza con ayuda de un regulador de
tensión que influye en la corriente de excitación. La tensión
adicional para alimentar las bobinas de la calefacción no está
rectificada para evitar las pérdidas que aparecen forzosamente en
una rectificación.
En lugar de un generador de corriente trifásica
de excitación independiente, en algunos sistemas de red de a bordo
se emplean generadores de excitación permanente. Dado que no es
posible una regulación de la corriente de excitación en dichos
generadores, los puentes rectificadores que siguen al generador se
construyen habitualmente como puentes / semipuentes rectificadores
controlados, comprendiendo éstos, por ejemplo, disyuntores
semiconductores que se controlan por un regulador de tensión
correspondiente de tal manera que la tensión alimentada en la salida
del puente rectificador es aproximadamente constante o no se
sobrepasa, de manera que puede utilizarse como tensión de la red de
a bordo y para cargar la batería o baterías del vehículo. A partir
del documento DE-OS 38 41 610, se conoce un
generador de excitación permanente de este tipo, incluyendo el
correspondiente puente rectificador controlado, sin embargo, en este
caso no está prevista la generación de una segunda tensión.
A partir del documento DE 42 26 311 A1 se conoce
un generador de corriente trifásica para un vehículo cuyo bobinado
está conectado en estrella. Mediante la toma de los puntos neutros
se dispone de una tensión de salida adicional que es aproximadamente
la mitad de intensa que la tensión habitual de la red de a bordo.
Este generador conocido presenta, además del puente rectificador
habitual en el que puede tomarse la tensión de la red de a bordo, un
puente rectificador adicional que está conectado con el punto neutro
y que alimenta la segunda tensión de salida. No se realiza ninguna
regulación de la corriente de carga del generador.
El dispositivo según la invención para la
alimentación de tensión en una red de a bordo de un vehículo con las
características de la reivindicación 1 tiene la ventaja, frente a
los dispositivos conocidos, de facilitar más tensiones y de que, al
mismo tiempo, se produce una regulación que, independientemente de
la carga presente realmente, mantiene el generador en un estado de
funcionamiento en el que puede realizarse una alimentación de
potencia óptima.
Esta ventaja se consigue ya que se utiliza un
generador con una segunda salida o más salidas y se añaden
disposiciones rectificadoras adicionales entre los estatores del
generador y los bornes de conexión adicionales y están previstos
medios adicionales con ayuda de los cuales puede influirse en la
corriente de carga del generador. Además, estos medios adicionales
comprenden disyuntores regulables, los cuales o bien sustituyen una
parte de los puentes rectificadores, o bien están conectados después
de éstos. En caso de un generador de excitación independiente, la
regulación de la corriente de excitación puede referirse a la
tensión del estator, la tensión B+ o la tensión B2+ o tensión Bx+ y
la realiza el regulador de tensión de la forma habitual.
En caso de un generador de excitación permanente,
se obtienen de igual forma las ventajas mencionadas, pudiendo
llevarse a cabo, en lugar de la regulación de la corriente de
excitación, una regulación de las tensiones / corrientes de carga
que pueden tomarse en todas las conexiones B+.
Es especialmente ventajoso que con los
dispositivos según la invención pueda realizarse una regulación de
la tensión que garantice se lleva a cabo una limitación de la
corriente de carga en el funcionamiento a plena carga del generador,
mientras que en el funcionamiento a carga parcial del generador, la
tensión de salida se efectúa o bien con ayuda del regulador de
tensión, que regula la corriente de excitación, o bien con un
generador de excitación permanente se realiza una limitación de la
tensión con ayuda de componentes de potencia adicionales.
Pueden obtenerse otras ventajas de la invención
con ayuda de las medidas indicadas en las reivindicaciones
dependientes.
Si se realiza una toma en la bobina del estator
del generador, compuesta de varias espiras, de forma ventajosa
pueden tomarse tensiones en una relación fija respecto a la tensión
de salida regulada. Con dichas tomas también puede construirse un
sistema de generador para tensiones más altas, entonces para las
tensiones más altas se necesitan espiras adicionales.
La invención puede emplearse ventajosamente para
generadores con circuitos en estrella o en triángulo, circuitos en
triángulo o de varias estrellas en paralelo o combinaciones de
circuitos en estrella y en triángulo.
En el dibujo se muestran ejemplos de realización
de la invención y se explican detalladamente en la descripción que
sigue. Concretamente, muestran: la figura 1, un primer ejemplo de
realización en el que se utilizan puentes rectificadores
convencionales y está presente un elemento de conmutación controlado
adicional para limitar la corriente de carga del generador. En la
figura 2 se muestra un ejemplo de realización en el que el puente
positivo de corriente trifásica está reemplazado por elementos de
conmutación que pueden controlarse. En la figura 3 se muestra un
ejemplo de realización que se corresponde en gran medida al de la
figura 1, pero presenta adicionalmente una salida regulada. En la
figura 4 se indica un ejemplo de realización en el que cada bobina
del generador presenta dos conexiones. La figura 5 muestra un
ejemplo de realización para un generador excitado eléctricamente con
una regulación monofásica de la corriente de carga y, la figura 6,
un ejemplo con un generador de excitación permanente que corresponde
al de la figura 2, pero presenta adicionalmente una salida regulada.
Las figuras 7 a 9 muestran otros ejemplos de realización para un
generador excitado eléctricamente, de modo que en la figura 7
aparece una toma de punto central neutro con diodos adicionales
conectados después y un regulador de potencia. En las figuras 10 y
11 se indican ejemplos para tomas múltiples en una conexión en
estrella y en triángulo.
En la figura 1 se muestran solamente las bobinas
10, 11, 12 del estator del generador G. Aquí, es irrelevante si el
generador G es un generador de excitación independiente o de
excitación permanente.
Las bobinas 10, 11, 12 del estator están
conectadas con el puente D de diodos de la forma habitual. Los
diodos D1, D2, D3 se suelen indicar como diodos positivos, los
diodos D4, D5, D6, como diodos negativos. La conexión negativa del
puente D de diodos se indica con B-, el otro lado del puente D de
diodos conduce, a través de un inyector D7 semiconductor que puede
controlarse, hasta la conexión B+, en la que se presenta la tensión
UB+. El inyector D7 semiconductor se controla por medio del
dispositivo A de control.
Un puente de diodos adicional con los diodos D8,
D9, D10 está en conexión con las bobinas 10, 11, 12 del estator, así
como con los puntos centrales del puente D de diodos, y conduce a la
conexión B+2 adicional, en la que se presenta la tensión UB2+.
Con la disposición de conexiones mostrada en la
figura 1, que está limitada a los componentes fundamentales de la
invención, puede acoplarse una tensión adicional a la conexión B+2,
presentando la tensión las propiedades deseadas durante el control
aún por explicar. Con el dispositivo A de control, la corriente IL
de carga suministrada por el generador G se limita de tal manera
que, con una carga alta, puede limitarse la corriente IL de una
forma que puede determinarse previamente, descrita más adelante.
En el ejemplo de realización mostrado en la
figura 2, en el que los mismos componentes llevan nuevamente la
misma notación, el semi-puente positivo del puente
rectificador es reemplazado por un puente rectificador controlado,
que comprende, por ejemplo, tiristores Th1, Th2, Th3, controlados
por el dispositivo A de control para limitar la corriente IL de
carga.
En la figura 3 se muestra otro ejemplo de
realización que comprende un generador de excitación (M) permanente
o, indicado en líneas discontinuas, un generador de excitación
independiente o autoexcitado que presenta una bobina E de
excitación, con una salida adicional regulada con una tensión U2+
regulada y un inyector externo o regulador lineal. Los mismos
componentes están dotados nuevamente de los mismos números de
referencia igual que en los otros ejemplos de realización.
Adicionalmente, en el ejemplo de realización según la figura 3, que
se refiere a un generador de excitación independiente, se muestra el
puente de corriente de excitación con los diodos D11, D12, D13 de
excitación. Estos diodos de excitación conducen a la conexión D+ y a
través de ésta, pasando por el regulador SP de tensión y la bobina E
de excitación, hasta la conexión B- del generador. La corriente a
través de la bobina IE de excitación se regula con ayuda del
regulador SP de tensión de una forma conocida, de manera que la
tensión de salida del generador se mantiene aproximadamente
constante.
En el ejemplo de realización según la figura 3,
para limitar la corriente de carga sirve el transistor T1, que puede
controlarse con ayuda del dispositivo A de control, con ayuda de un
transistor T2 adicional puede generarse una tensión UB2+ de salida
regulada adicional en el lado del cátodo de los diodos D8, D9, D10
adicionales, de modo que el control del transistor T2 se realiza en
función de la carga de tal manera que T2 funciona como un regulador
lineal o regulador de conmutación.
Por lo demás, puede suprimirse el transistor T2
siempre que como generador se utilice un generador autoexcitado o de
excitación independiente con regulación de la corriente de
excitación.
En la figura 4 se muestra un ejemplo de
realización en el que las bobinas 10, 11, 12 del estator presentan
en cada caso una segunda conexión (también puede haber más
presentes) y ésta se utiliza para acoplar la tensión adicional a
través de los diodos D8, D9, D10. Esta disposición de conexión, que
nuevamente es adecuada para un generador de excitación permanente
siempre que el transistor T2 esté presente, o para un generador
autoexcitado o de excitación independiente (en líneas discontinuas)
con regulación de la corriente de excitación, de modo que el
transistor T2 puede suprimirse, alimenta como segunda tensión de
salida del generador una tensión UB2+ regulada que es mayor que la
tensión tomada en B+, con lo que el nivel de tensión depende del
punto de toma.
Los ejemplos de realización mostrados en las
figuras 5 a 9 se diferencian de los ya descritos solamente porque el
uno o varios diodos se reemplazan por un tiristor. Aquí, los
tiristores se indican con Th4-Th7. Por tanto, con
los componentes de potencia mostrados pueden mostrarse puentes
completos o semipuentes controlados de forma monofásica, bifásica o
trifásica. Las salidas adicionales pueden mostrarse como puentes
completos o semipuentes controlados / no controlados de forma
monofásica, bifásica o trifásica con diferentes componentes de
potencia. Además, es posible una toma en el punto central con un
rectificador controlado o no controlado, tal como se muestra, por
ejemplo, en la figura 7. En la figura 9, la conexión B2+ adicional
está en conexión con el generador a través de un puente D15 a D20
rectificador, así como con un componente T2 de potencia
semiconductor que limita la corriente de carga.
Todos los ejemplos de realización mostrados en
las figuras 1 - 9 presentan como mínimo un componente que puede
controlarse en el puente principal rectificador o entre el generador
y la conexión B+, por medio del cual puede influirse en la corriente
IL de carga del generador. Además todos los ejemplos de realización
tienen en común que, además de la conexión B+ convencional, en la
que puede tomarse una primera tensión UB+, está presente como mínimo
una segunda conexión B2+, en la que puede tomarse una segunda
tensión UB2+, de modo que, según la configuración, esta segunda
tensión es una tensión continua o una tensión alterna. Además, esta
tensión puede ser igual que la tensión habitual de la red de a bordo
o, sin embargo, presentar respecto a ésta valores más altos o
también más bajos en función de la conexión en las bobinas 10, 11,
12 del estator o el tipo de regulador de potencia (regulador lineal
o de conmutación).
En los ejemplos de realización con un puente
rectificador adicional, el generador puede alimentar corriente
continua a las salidas adicionales. En función de la conexión del
borne adicional de salida o de los bornes adicionales de salida,
puede estar presente una separación entre los sistemas de
alimentación de corriente, mediante un control adecuado de los
componentes que pueden controlarse, por ejemplo, tiristores, es
posible dotar a una de las salidas con una prioridad mayor, de
manera que, por ejemplo, pueda realizarse una prioridad de carga
para un acumulador inicial.
En la figura 10 y 11 se muestran circuitos para
generadores con tomas múltiples de la bobina del estator, de modo
que la figura 10 representa un circuito en estrella y la figura 11,
una toma múltiple en un circuito en triángulo. Con este tipo de
circuitos pueden obtenerse varias tensiones, cuyo nivel de tensión
depende del lugar de la toma, aquí vale:
uBx+
=\frac{\text{UB+ espira en la que se ha realizado una
toma}}{\text{número total de
espiras}}
Si se regula la tensión de salida, también están
reguladas las tensiones UB2+, UB3+ obtenidas. Mediante el empleo de
los reguladores longitudinales, no mostrados en la figura 10 y la
figura 11, o el reemplazo de los diodos individuales por disyuntores
semiconductores que pueden controlarse, es posible una regulación
tal como la de los ejemplos de realización 1 a 9.
La regulación de los generadores se realiza de
tal manera que, con generadores autoexcitados y de excitación
independiente, la tensión de salida en el borne B+ tiene lugar
mediante la interrupción de la corriente de excitación, es decir, de
forma habitual por medio de un regulador de tensión. Sin embargo,
durante la regulación del generador se distingue entre
funcionamiento a plena carga y funcionamiento a carga parcial. En el
funcionamiento a plena carga, en el que el nivel de tensión del
generador se determina a partir del nivel de la corriente de carga
necesaria, la tensión de los bornes podría disminuir demasiado en
caso de una carga demasiado intensa, de manera que se producen
problemas para la alimentación de los consumidores habituales o
éstos deberían estar diseñados de tal manera que también funcionaran
de forma fiable en el caso de una tensión claramente menos intensa
de la red de a bordo. Por eso, en el caso de la regulación
propuesta, en el funcionamiento a plena carga, la corriente IL de
carga del generador se limita a un valor que puede determinarse
previamente, de manera que se garantiza que tampoco la tensión de
salida del generador y, con ello, las salidas adicionales puedan
quedar por debajo de un valor correspondiente. La limitación de la
corriente de carga se realiza mediante el control del o de los
componentes que pueden controlarse del puente rectificador. En los
ejemplos de realización mostrados, el dispositivo A de control
alimenta señales de control correspondientes a los tiristores.
En los ejemplos de realización en los que los
puentes de corriente trifásica no se han reemplazado por el
disyuntor de forma parcial, media o total, la limitación de la
corriente de carga se realiza mediante el control del disyuntor
entre el puente rectificador y la conexión B+.
La tensión de salida en el borne B2+ puede
regularse con ayuda del transistor T2, también puede tomarse una
tensión no regulada. En el caso de una regulación habitual de la
corriente de excitación, el transistor T2 puede suprimirse y, sin
embargo, se obtiene una tensión regulada de salida.
En el funcionamiento a carga parcial del
generador, la tensión de salida se limita por el regulador de
tensión anterior, por ejemplo, en caso de generadores de excitación
permanente, se limita con ayuda de un componente (adicional) de
potencia colocado en las salidas. El control del rectificador
controlado, de los tiristores o de los componentes de potencia
semiconductores puede realizarse en un funcionamiento en bloque, en
ángulo de fase o funcionamiento lineal. Puede hacerse funcionar de
forma continuada un regulador de corriente continua presente
eventualmente.
Gracias a la distinta regulación en el
funcionamiento a plena carga del generador, puede hacerse funcionar
el generador permanentemente en un intervalo que se corresponde
exactamente con el paso a la plena carga. Con ello se garantiza que
en todas las circunstancias el generador tome la máxima potencia
posible, la cual se obtiene en el límite de carga parcial / plena
carga.
Puede realizarse el reconocimiento de la carga
del generador midiendo su tensión de salida, midiendo la corriente
de carga o el factor de utilización de la corriente de excitación,
etc.
La invención no se limita a los ejemplos de
realización mostrados, sino que también puede realizarse
fundamentalmente para generadores que no sólo presentan una o dos
salidas, sino varias salidas adicionales, por ejemplo, a través de
tomas de espira adicionales o bobinas adicionales separadas o
paralelas, de modo que pueden ajustarse distintos niveles de tensión
en las correspondientes salidas Bx+ en función del punto de toma, de
manera que pueden obtenerse tensiones UBx+ específicas para los
componentes, con x = 1, 2, 3, etc.
En lugar de los tiristores mostrados, también
pueden emplearse otros componentes rápidos, por ejemplo, componentes
semiconductores rápidos, asimismo, un puente puede presentar
diferentes elementos de conmutación.
Los puentes rectificadores pueden efectuarse como
puentes rectificadores semi-controlados con diodos o
diodos Zener o como puentes totalmente controlados que garantizan
una protección completa del paso.
En el caso de generadores de excitación
permanente, cada conexión está dotada de un regulador de potencia
para que no pueda presentarse ningún exceso de tensión en las
conexiones. Además de la función de limitación de la tensión, estos
reguladores de potencia también pueden utilizarse para regular la
corriente de carga en el mejor punto del generador.
La regulación puede darse con generadores del
siguiente tipo o en una combinación de las siguientes
características:
- Bobina del estator:
- en estrella o en triángulo, o en una combinación sencilla o múltiple (en paralelo o separadas entre sí)
- Excitación:
- propia, independiente, permanente o combinada
- Tomas:
- punto central con diodo o disyuntor o una combinación sencilla o múltiple de tomas de bobina
- Rectificador:
- puente de corriente trifásica sencillo
- \quad
- puente de corriente trifásica múltiple
- - adicionalmente:
- revestimiento común de masa o
- \quad
- revestimiento diferente de masa
- - tipo:
- puente de corriente trifásica semicontrolado
- \quad
- puente de corriente trifásica totalmente controlado
- \quad
- puente de corriente trifásica parcialmente controlado (sólo 1 ó 2 fases)
- Diodos:
- diodos estándar
- \quad
- diodos Schottky o diodos de bajo voltaje, diodos Zener
- Disyuntor controlable:
- por el lado positivo o negativo
- \quad
- en una o en varias o en todas las conexiones
En el caso de generadores en circuito en estrella
con una espira adicional en los extremos exteriores de la bobina,
también pueden emplearse espiras con una sección transversal tubular
más reducida para aprovecharlos espacios libres en el espacio de la
bobina.
En el caso de generadores con bobina o bobinas
del estator separadas, las bobinas separadas entre sí se colocan en
los espacios de las bobinas con puntos en estrella o en triángulo
separados entre sí o con puntos en estrella no separados. Aquí
también pueden concebirse combinaciones de circuitos en estrella y
en triángulo.
Claims (13)
1. Dispositivo para la alimentación de tensión en
una red de a bordo de un vehículo con un generador (G) que
suministra una corriente (IL) de carga, cuya tensión (UB+) de salida
se regula de tal manera que es aproximadamente constante, con una
primera disposición (D1-D6) rectificadora conectada
después del generador (G), la cual alimenta una tensión (UB+) a una
primera conexión (B+), con una segunda disposición (D8, D9, D10)
rectificadora por medio de la cual puede tomarse una segunda tensión
(UB2+) en como mínimo una segunda conexión (B2+),
caracterizado porque están presentes medios adicionales para
influir en la corriente (IL) de carga del generador (G), los cuales
comprenden un elemento semiconductor que puede controlarse mediante
un dispositivo (A) de control.
2. Dispositivo para la alimentación de tensión
según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios
adicionales para influir en la corriente de carga son tiristores
(Th1-Th7).
3. Dispositivo para regular la tensión según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el generador (G)
es un generador de excitación independiente o autoexcitado, cuya
corriente (IE) de excitación se regula mediante un regulador (SP) de
tensión.
4. Dispositivo para regular la tensión según la
reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque los elementos
semiconductores que pueden controlarse forman parte del puente
rectificador principal y sustituyen a los correspondientes
rectificadores del puente.
5. Dispositivo para la alimentación de tensión
según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque los componentes semiconductores que pueden controlarse están
presentes adicionalmente a los puentes rectificadores principales y
se encuentran entre el diodo positivo y la conexión (B+).
6. Dispositivo para regular la tensión según la
reivindicación 5, caracterizado porque el componente
semiconductor comprende como mínimo un tiristor
(Th1-Th7) o un transistor (T1, T2), así como un
dispositivo (A) de control.
7. Dispositivo para la alimentación de tensión
según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque el puente rectificador principal está en contacto, en cada
caso, con una primera conexión de la bobina (10, 11, 12) del estator
del generador (G), y el borne (B2+) adicional de tensión está en
contacto con la misma conexión como mínimo de una de las bobinas
(10, 11, 12) del estator.
8. Dispositivo para la alimentación de tensión
según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque las bobinas (10, 11, 12) del estator del generador (G) forman
una conexión con punto neutro y el punto neutro está conectado con
el borne (B2+) adicional de tensión por medio de un elemento
rectificador.
9. Dispositivo para la alimentación de tensión
según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque la regulación de la tensión de salida del generador (G) se
realiza con ayuda del regulador (SP) de tensión durante el
funcionamiento a carga parcial y, durante el funcionamiento a plena
carga, se desencadena un control de los elementos semiconductores
que pueden controlarse para limitar la corriente (IL) de carga del
generador (G), para el funcionamiento del generador (G) en el
intervalo de trabajo apropiado.
10. Dispositivo para regular la tensión según la
reivindicación 8, caracterizado porque el reconocimiento del
estado de plena carga se realiza mediante la valoración de la
tensión, la corriente de excitación o el factor de utilización de la
corriente de excitación suministrados por el generador (G) y el
estado de plena carga se reconoce cuando esta tensión está por
debajo de un valor que puede predeterminarse.
11. Dispositivo para la alimentación de tensión,
especialmente según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque las bobinas del estator presentan tomas
en un número de espiras que puede predeterminarse, que conducen a
bornes (Bx+) de tensión adicionales en los que pueden tomarse las
tensiones (UBx+) cuyo nivel de tensión depende de los puntos de
toma.
12. Dispositivo para la alimentación de tensión
según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque la bobina (10, 11, 12) del estator del generador (G) está
configurada como conexión en estrella, conexión en triángulo o como
combinación de conexión en estrella y en triángulo y las tomas de la
bobina están presentes en cada bobina.
13. Dispositivo para la alimentación de tensión
según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque en los extremos exteriores de la bobina están conectadas
bobinas adicionales que conducen a las conexiones (Bx+)
adicionales.
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