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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Aluno: Circuitos Elétricos EXPERIMENTAL 3 Relatório Experimento 3 – Componentes simétricas em Circuitos Trifásicos Professor: Nova Friburgo 2019 i SUMÁRIO 1 Introdução.................................................................................................................. 1 2 Objetivos ................................................................................................................... 4 3 Material Utilizado ..................................................................................................... 4 4 Metodologia .............................................................................................................. 5 5 Resultados e Discussão ............................................................................................. 6 5.1.1 Resultados Parte 1 .......................................................................................... 6 5.1.2 Discussão dos Resultados Parte 1 .................................................................. 9 5.2.1 Resultados Parte 2 .......................................................................................... 9 5.2.2 Discussão dos Resultados Parte 1 ................................................................ 11 6 Conclusão ................................................................................................................ 12 7 Bibliografia.............................................................................................................. 12 ii RESUMO O presente relatório descreve o experimento laboratorial de um circuito trifásico desequilibrado, que foi solucionado através do método de Componentes Simétricas. O experimento foi realizado através do simulador de circuitos PSIM (versão DEMO), utilizado para montar e simular diversos circuitos elétricos e eletrônicos. A utilização do PSIM possibilitou o estudo do comportamento do circuito trifásico desequilibrado, assim como a obtenção dos valores experimentais RMS de corrente de fase e corrente de linha na carga (R). Esse relatório está dividido de forma geral em três partes, na qual na primeira parte, temos uma introdução ao que a literatura apresenta sobre o método utilizado para a resolução do circuito trifásico desequilibrado. Na segunda parte deste relatório, temos a simulação realizada experimentalmente no PSIM com os respectivos resultados, assim como os resultados teóricos calculados com base no apoio teórico. Na terceira parte, a análise comparativa entre os dados experimentais e teóricos obtidos. Palavras-chaves: Componentes simétricas. Trifásico. Circuitos Elétricos. 1 1 INTRODUÇÃO Fortescue (1918) afirmou que um sistema trifásico desequilibrado pode ser decomposto em três sistemas equilibrados, sendo essa decomposição única. Onde um sistema equilibrado são grandezas equivalentes em cada uma das fases, com mesma magnitude, e diferenças de fase iguais. O Teorema de Fortescue consiste na decomposição dos elementos de tensão ou corrente das fases, em parcelas iguais, mas com ângulos de fase diferentes. Desta forma é possível desmembrar o circuito polifásico em "n" circuitos monofásicos, supondo válido o princípio da superposição, ou seja, que os circuitos sejam lineares. 1.2 TEOREMA DE FORTESCUE Fortescue por meio do teorema intitulado de “Método de componentes simétricas aplicando a solução de circuitos polifásicos” estabeleceu que um sistema de n fasores desequilibrados pode ser decomposto em n sistemas equilibrados, denominado de componentes simétricas do sistema original. Em componentes simétricas utiliza-se o operador imaginário ‘j’ e o rotacional ‘a’, que gira 120° um fasor. (1) 𝑗 = 1∠90º (2) �̇� = − 1 2 + 𝑗 √3 2 = 1∠120º Pelo foco ser sistemas trifásicos, as fases serão decompostas em três sistemas de fasores balanceados (componentes simétricas) totalmente desacoplados: sequência positiva, negativa e zero. A sequência positiva ou direta é o conjunto de três fasores iguais em módulo, girando no mesmo sentido e velocidade síncrona do sistema original, defasados 120° entre si com a mesma sequência de fases dos fasores originais. Presentes durante condições trifásicas equilibradas. 2 FIGURA 1: SEQÜÊNCIA POSITIVA (3) �̇�𝐴1 = �̇�𝐴1 (4) �̇�𝐵1 = 𝑎 2. �̇�𝐴1 (5) �̇�𝐶1 = 𝑎 . �̇�𝐴1 A sequência negativa ou indireta é o conjunto de três fasores girando em uma direção contrária ao sistema original com as fases iguais em módulo, defasadas 120° entre si com sequência oposta à sequência de fases dos fasores originais. Medem a quantidade de desbalanço existente no sistema de potência. FIGURA 2: SEQÜÊNCIA NEGATIVA (6) �̇�𝐴1 = �̇�𝐴1 (5) �̇�𝐵1 = 𝑎 2. �̇�𝐴1 3 (5) �̇�𝐶1 = 𝑎 . �̇�𝐴1 A seqüência zero (índice 0) é o conjunto de três fasores gerados por um campo magnético estático pulsatório com fases iguais em módulo, defasados 0° 27 entre si (em fase). Comumente associados ao fato de se envolver a terra em condições de desbalanço. FIGURA 3.12: SEQÜÊNCIA ZERO (3.9) 3.3 EXPRESSÃO ANALÍTICA DO TEOREMA DE FORTESCUE O sistema trifásico equilibrado resulta na superposição dos sistemas trifásicos equilibrados descritos acima (seqüência positiva, negativa e zero). Sabe-se que: (3.10) Utilizando as equações anteriores chega-se na equação matricial: (3.11) Isolando as componentes simétricas da equação 3.11 teremos a equação das componentes simétricas em função do sistema trifásico desbalanceado: (3.12) A mesma análise feita com a tensão pode ser realizada com a corrente. Dessa análise pode-se retirar a expressão: (3.13) 28 3.4 ANÁLISE DE SEQÜÊNCIA ZERO Conclusões importantes são retiradas da análise da corrente e da tensão de seqüência zero. o CORRENTE O estudo da corrente de seqüência zero tem grande importância, pois a partir de sua interpretação são obtidas conclusões de aplicações físicas, diretamente utilizadas na proteção de sistemas elétricos. Os próximos tópicos descrevem a 4 análise de cada caso da corrente de seqüência zero. - Sistema Trifásico Estrela Aterrado Aplicando a primeira lei de Kirchhoff no nó da estrela tem-se: (3.14) Substituindo-se a expressão 3.13 na equação 3.14 tem-se: (3.15) A partir deste resultado conclui-se que só é possível existir corrente de seqüência zero em um Sistema de Neutro Aterrado. - Sistema Trifásico Estrela Aplicando a primeira lei de Kirchhoff no nó da estrela tem-se: (3.16) (3.17) Em um Sistema Estrela Não Aterrado não há corrente de seqüência zero. - Sistema TrifásicoDelta (Triângulo) Aplicando a primeira lei de Kirchhoff no delta (soma das correntes que entram é igual à soma das que saem) tem-se: 29 (3.18) (3.19) Em um Sistema Delta também não há corrente de seqüência zero. o TENSÃO Os próximos tópicos descrevem a análise de cada caso da tensão de seqüência zero. - Sistema Trifásico Estrela (3.20) Como a expressão 3.20 não é necessariamente nula, há possibilidade de se ter tensão de seqüência zero. 5 - Sistema Trifásico Delta (Triângulo) Da equação 3.12, obtém-se a expressão: (3.21) Aplicando a lei das malhas no delta tem-se: (3.22) A partir das equações 3.21 e 3.22 conclui-se que, como o Sistema Delta não é aterrado, não há possibilidade de se ter tensão de seqüência zero. Alexander e Sadiku (2013), afirmam que transformador é um dispositivo magnético introduzido como um novo elemento de circuito e que aproveita do fenômeno da indutância mútua, que é a capacidade de um indutor de induzir a tensão em um indutor próximo. É geralmente de quatro terminais e formado por duas ou mais bobinas acopladas magneticamente. Um transformador ideal é aquele sem perdas, que possui coeficiente de acoplamento unitário em que as bobinas primárias e secundárias possuem autoindutâncias infinitas. (ALEXANDER; SADIKU, 2013). É aquele onde o acoplamento entre suas bobinas é perfeito, ou seja, todas concatenam o mesmo fluxo, o que vale dizer que não há dispersão de fluxo. Isso implica assumir a hipótese de que a permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético é alta ou, no caso ideal, infinita, e o circuito magnético é fechado. (PDF – USP). Segundo Alexander e Sadiku (2013), um transformador ideal é o caso limitante de dois indutores acoplados em que as indutâncias se aproximam do infinito. Assim, observando e analisando a Figura 1 tem-se: Figura 1: Circuito acoplado. Fonte: (ALEXANDER; SADIKU, 2013). 𝑉1 = 𝑗𝜔𝐿1𝐼1 + 𝑗𝜔𝑀𝐼2 (1) 𝑉2 = 𝑗𝜔𝑀𝐼1 + 𝑗𝜔𝐿2𝐼2 (2) 6 em que M é a indutância mútua, 𝜔 frequência e I corrente. Fazendo o isolamento do termo 𝐼1 na Equação (1) e substituindo na Equação (2), é obtido: 𝑉2 = 𝑗𝜔𝐿2𝐼2 + 𝑀𝑉1 𝐿1 − 𝑗𝜔𝑀2𝐼2 𝐿1 (3) Sendo 𝑀 = √𝐿1𝐿2 para acoplamento perfeito, ou seja, onde 𝐾 = 1. Logo, 𝑉2 = 𝑗𝜔𝐿2𝐼2 + √𝐿1𝐿2 𝐿1 𝑉1 − 𝑗𝜔𝐿1𝐿2𝐼2 𝐿1 𝑉2 = √ 𝐿2 𝐿1 𝑉1 = 𝑛𝑉1 (4) em que 𝑛 = √𝐿1𝐿2 → relação de espiras. Diz- se que um transformador é ideal se ele tiver as seguintes propriedades: • As bobinas possuem reatâncias muito grandes (𝐿1, 𝐿2, 𝑀 → ∞); • O coeficiente de acoplamento é unitário (𝑘 = 1); • As bobinas primária e secundária são sem perdas (𝑅1 = 0 = 𝑅2). (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Na Figura 2 é possível observar os enrolamentos primário e secundário, onde o primário possui 𝑁1 espiras e o secundário possui 𝑁2 espiras. Figura 2: Representação de um transformador monofásico ideal, com permeabilidade do núcleo infinita. Fonte: (DEPARTAMENTO DE ENGENHATIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO, 2014) Uma tensão senoidal quando aplicada ao enrolamento primário, o fluxo magnético 𝜑 passa pelos dois enrolamentos. Assim, têm-se as tensões nos enrolamentos: 𝑣1 = 𝑁1 𝑑𝜑 𝑑𝑡 (5) 𝑣2 = 𝑁2 𝑑𝜑 𝑑𝑡 (6) Das equações de enrolamento (5) e (6) obtém-se: 7 𝑉2 𝑉1 = 𝑁2 𝑁1 = 𝑛 (7) 𝑉1 𝑒 𝑉2 são tensões fasoriais. Em vista de que em um transformador ideal não há perdas, e por conservação de energia, tem-se que a energia fornecida para o primário tem que ser igual à fornecida para o secundário. Sendo assim, tem-se: 𝐼2 𝐼1 = 𝑁1 𝑁2 = 1 𝑛 (8) Disso, • 𝑛 = 1, é denominado transformador de isolamento; • 𝑛 > 1, transformador elevador de tensão (aquele no qual a tensão no secundário é maior que a tensão no primário); • 𝑛 < 1, transformador abaixador de tensão (aquele o qual a tensão no secundário é maior que a tensão no primário). Polaridade: → se 𝑉1𝑒 𝑉2 forem positivas ou negativas nos terminais pontuados, usar +𝑛. Caso contrário, usar – 𝑛. → se 𝐼1 𝑒 𝐼2 entrarem ou saírem dos terminais pontuados, usar – 𝑛. Caso contrário, +𝑛. A potência complexa no enrolamento primário é dada por: 𝑆1 = 𝑉1I ∗ 1 = 𝑉2 𝑛 (𝑛𝐼2) ∗ = 𝑉2𝐼2 ∗ = 𝑆2 (9) Com a Equação (9) fica evidente que o transformador não absorve nenhuma energia e que a potência fornecida para o primário é entregue ao secundário sem perdas. A impedância de entrada, que também é chamada de impedância refletida, em vista de que é como se a impedância da carga fosse refletida para o lado primário, é dada por: 𝑍𝑒𝑛𝑡 = 𝑍𝐿 𝑛2 (10) 8 2 OBJETIVOS Este relatório tem dois objetivos: O primeiro seria estudar o método das componentes simétricas utilizado para resolução de circuitos trifásicos desequilibrados. O segundo é com base na simulação e na literatura apresentada, obter e comparar os valores RMS das correntes de cada fase e de cada linha na carga (R) os dados obtidos na simulação e os dados obtidos através dos cálculos. 3 MATERIAL UTILIZADO Parte 1: • Software PSIM (versão demonstração). Parte 2: • Módulo didático de transformadores (ZL-TR1512 – ZILOCCHI); • Gerador de funções (Tektronix – AFG1022); • Multímetro; • Cabos. Figura 3: Módulo didático de transformadores (ZL-TR1512 – ZILOCCHI). Fonte: Pré relatório fornecido. 9 Figura 4: Gerador de funções (Tektronix – AFG1022). Fonte: Pré relatório 1 já fornecido. 4 METODOLOGIA Procedimento Experimental – Parte 1: Software PSIM Primeiramente, com a utilização do Software PSIM, foi montado o circuito apresentado a seguir (Figura 5). Figura 5: Sistema de geração distribuída monofásico. Fonte: Pré relatório fornecido. OBS.: As fontes operavam em 60 Hz e consideradas que ambas possuíam defasagem zero. Em seguida, configurou-se com os valores adequados ao circuito em questão no “relógio” apresentado (Figura 5) e consequentemente, gerou-se a simulação. Com o software, foi simulado o gráfico da carga e de corrente, e assim, foi possível obter os valores de tensão e corrente fasorial na carga (R). ProcedimentoExperimental – Parte 2: Módulo didático de transformadores 10 Primeiramente, configurou-se o gerador de funções para que possuísse uma saída senoidal com amplitude máxima em 60 Hz. Após, com a utilização de um multímetro, verificou-se a resistência elétrica das bobinas do trafo monofásico. Em seguida, foi alimentada a bobina 2 com o gerador de funções previamente configurado, e mediu-se os valores de tensão RMS de todas as bobinas. Por fim, conectou-se um cabo do borne 0V da bobina 2 com o borne 127V e novamente com o gerador de funções, foi alimentada a bobina 2 e mediu-se os valores de tensão RMS de todas as bobinas. OBS.: Todos os dados coletados estão apresentados no decorrer deste relatório. 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1.1 Resultados Parte 1 A partir do programa PSIM foi possível obter dados como as senóides dos valores eficazes de tensão e de corrente referente a carga bem como seus valores eficazes e sua respectiva potência média. Esses valores serão chamados de dados experimentais e foram obtidos da Figura 6 e da Figura 7. Figura 6: Valores eficazes de tensão e corrente. Fonte: (Autores). 11 Figura 7: Potência média. Fonte: (Autores). Através da Figura 6 foi coletado os valores eficazes da tensão e corrente da carga e a partir da Figura 7 o valor da potência media. Tais valores experimentais foram organizados na Tabela 1 a seguir: Tabela 1: Dados experimentais. Tensão eficaz (V) Corrente eficaz(A) Potência Média (W) 222,06834 22,206834 4888,1327 Para encontrar as representações fasoriais da tensão e corrente na carga, foram utilizados os valores eficazes obtidos nos dados experimentais e calculou-se a fase desses por meio do tempo de defasagem entre as tensões da fonte e da carga segundo a fórmula (11), onde f é a frequência de operação da rede que nesse caso é igual a 60 Hz e t é o tempo de defasagem entre os pontos máximos das senóides. A partir da fórmula (11) e levando em consideração que não ouve defasagem entre a fonte de tensão com a tensão na carga, temos que o Δt é igual a 0 segundos e assim temos que a fase é igual a zero graus. Tais resultados foram apresentados na Tabela 2 a seguir: Tabela 2: Dados calculados para a carga. 12 Tensão Fasorial (v) Corrente Fasorial (A) 𝟐𝟐𝟐, 𝟎𝟔𝟖𝟑𝟒∟𝟎° 22,206834∟0° Para calcular a potência média consumida pela carga, a fim de comparar o valor encontrado pelo cálculo com o valor obtido experimentalmente por meio do software, foi calculado por duas formas a potência média teórica. Primeira forma, utilizando a fórmula, (12), sendo p(t) o produto dos valores eficazes da tensão e da corrente na carga e T o período. Sabendo que a frequência considerada foi de 60 Hz, obtemos o período 0,0167 s. Com isso, a partir da Fórmula (12) foi encontrado o valor de 4931,4347 W para a potência média. Segunda forma, utilizando a fórmula, (13), sendo Vef e Ief os valores eficazes da tensão e da corrente, respectivamente, o teta v a fase da tensão de carga e teta i a fase da corrente na carga. Sabendo que teta v e teta i são iguais a zero grau, através da fórmula (13) encontramos o valor de 4931,4347 W para a potência média. Com objetivo de realizar uma melhor analise, será calculado o erro relativo entre a potência média encontrada experimentalmente com a potência média calculada. 13 (14). Através da fórmula (14), foi encontrado um erro de 0,878 %. Sendo apresentados na próxima tabela esses valores da potência média. Tabela 3: Potência média. Potência média teórica (W) Potência média experimental (W) Erro relativo(%) 4931,4347 4888,1327 0,878 5.1.1 Discussão dos Resultados Parte 1 Com auxílio do programa PSIM foi possível obter dados da tensão eficaz, da corrente eficaz e da potência média em uma determinada carga. Ao analisar a teoria dos circuitos magneticamente acoplados foi possível encontrar os valores fasoriais da tensão eficaz e corrente eficaz (apresentados na Tabela 2) e calcular o valor da potência média. A partir desses cálculos encontramos uma potência média muito próxima da potência média obtida experimentalmente (apresentada na Tabela 3), com um erro de apenas 0,878%. 5.1.1 Resultados Parte 2 Com o módulo didático do transformador e auxílio do multímetro, foram encontrados os seguintes dados experimentais: resistência das bobinas do transformador, tensão RMS nas bobinas e, tensão RMS entre bobinas do transformador. Tabela 4: Resistência das bobinas do transformador. Bornes Resistência (Ω) Bobina 1 V1-0V 1,638 14 Bobina 2 V2-0V 1,686 Bobina 3 127V-0V 9,770 Bobina 4 220V-0V 16,055 Bobina 5 220V-127V 8,132 Tabela 5: Tensão RMS das bobinas do transformador. Bornes Tensão RMS (V) Bobina 1 V1-0V 1,233 Bobina 2 V2-0V 1,298 Bobina 3 127V-0V 8,425 Bobina 4 220V-0V 14,542 Bobina 5 220V-127V 6,122 Tabela 6: Tensão RMS das bobinas do transformador. Bornes Tensão RMS (V) Bobina 2 V2-0V 1,297 Bobina 3 127V-0V 8,418 Bobina 3-2 0V-V2 7,138 Bobina 5 220V-127V 6,117 Bobina 5-2 220V-V2 7,399 Para o primeiro item levando em consideração que o transformador é ideal e assumindo que a Bobina 2 seja o primário do transformador, com objetivo de determinar a relação de transformação de todas as bobinas, usou-se a relação de transformadores ideais 𝑛 = 𝑉2 𝑉1 (15), sendo 𝑉1a tensão do primário, 𝑉2 a tensão no secundário e n a relação de transformação. Utilizando os dados da Tabela 5, foi possível através da fórmula (15), calcular as relações de transformação, sendo apresentadas na Tabela 7. Tabela 7: Relações de transformação. Bobina 2 (V) Bobinas (V) n Transformador V1 = 1,298 1 → V2 = 1,233 0,9499 Abaixador de tensão V1 = 1,298 3 → V2 = 8,425 6,4907 Elevador de tensão V1 = 1,298 4 → V2 = 14,542 11,2033 Elevador de tensão V1 = 1,298 5 → V2 = 6,122 4,7164 Elevador de tensão Tendo em vista que 𝑛 = 1 → 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑖𝑠𝑜𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜; 𝑛 > 1 → 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜; 𝑛 < 1 → 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑎𝑖𝑥𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜. 15 No segundo item para encontrar os pontos das bobinas 2, 3 e 5 com relação ao primário, que foi considerado como a bobina 2, observou-se que tipo de relação deveria existir entre as tensões para que a associação entre as bobinas atendesse à diferença de potencial medida, que foram apresentadas na Tabela 6. Tabela 8: Diferença de potencial. Bobina 2 Bobina 3 DDP 2-3 Bobina 2 Bobina 5 DDP 2-5 1,297 8,418 7,138 1,297 6,117 7,399 Para o terceiro item se as Bobinas 3,4 e 5 forem o primário e as bobinas 1 e 2 forem o secundário do transformador, através dos dados da Tabela 5 e utilizando a fórmula (15), foi apresentados os cálculos na Tabela 9 abaixo: Tabela 9: Relações de transformação. Bobina primária ( V) Bobina secundária (V) n Transformador 3 → V1 = 8,425 1 →V2 = 1,233 0,1463 Abaixador de tensão 3 → V1 = 8,425 2 → V2 = 1,298 0,1541 Abaixador de tensão 4 →V1 = 14,542 1→ V2 =1,233 0,0847 Abaixador de tensão 4 →V1 = 14,542 2→ V2 = 1,298 0,0892 Abaixador de tensão 5 →V1 = 6,122 1→ V2 = 1,233 0,2014 Abaixador de tensão 5→V1 = 6,122 2 → V2 = 1,298 0,2120 Abaixador de tensão 5.1.1 Discussão dos Resultados Parte 2 No primeiro item, considerando a bobina 2 como a primária e as bobinas 1,3,4 e 5 como as secundárias foi possível a partir da fórmula (15) encontrar as relações de transformação ( apresentadas na Tabela 7). Analisando a Tabela 7 constatamos que para a relação entre a bobina 1 e 2 teríamos um transformador abaixador de tensão, e para os demais um transformador elevador de tensão. 16 No segundo item interpretando os dados obtidos apresentados na Tabela 8, obtemos que para a diferença de potencial medida entre a bobina 2 e 3 seja verdadeira, temos uma subtração entre a tensão medida na bobina 2 com a tensão medida na bobina 3, logo, os pontos das bobinas 2 e 3 estão opostos um em relação ao outro. Já para a diferença de potencial medida entre a bobina 2 e 5 seja verdadeira, temos uma soma entre a tensão medida na bobina 2 com a tensão medida na bobina 5, logo, os pontos das bobinas 2 e 5 estão no mesmo sentido um em relação ao outro. Para o terceiro item, considerando as bobinas 3,4 e 5 sendo o primário e as bobinas 1 e 2 sendo o secundário do transformador, obtemos as relações de transformação apresentadas na Tabela 9. Levando em consideração as resistências medidas apresentadas na Tabela 4, observamos que as resistências nas bobinas secundárias seriam muito menor do que nas bobinas primárias e que há uma queda de tensão do primário para o secundário, e assim, esses transformadores seriam abaixadores de tensão. Comparando essa informação com os cálculos feitos para encontrar as relações de transformação apresentadas na Tabela 9, confirmamos que esses transformadores seriam abaixadores de tensão. 6 CONCLUSÃO Com tudo que foi apresentado, com o embasamento teórico foi possível analisar os transformadores e suas aplicações. Os valores encontrados, tanto analiticamente como experimentalmente, condizem entre si e corroboram a teoria. Além disso, as pequenas diferenças são acobertadas pelos erros associados ao processo experimental e assim, ambas as partes do experimento ocorreram como esperado. 7 BIBLIOGRAFIA [1] ALEXANDER, Charles K.; SADIKU, Matthew N. O. Fundamentos de circuitos elétricos. 5ª edição, 2013. [2] DEPARTAMENTO DE ENGENHATIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO: Introdução à eletrodinâmica e automação. São Paulo: EPUSP, 2014.
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