ES2326780B2 - Metodo automatico de control de un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia. - Google Patents
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Abstract
Método automático de control de un sistema de
transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta
frecuencia.
La presente invención tiene por objeto un método
automático de control de un sistema de transferencia de potencia
con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que mantiene la
potencia transferida a la carga igual a la nominal con
desalineamientos de hasta el 99% del área del secundario, que
controla la tensión de alimentación y frecuencia del sistema de
transferencia de potencia con acoplamiento inductivo, mediante un
sistema de control en bucle cerrado, para regular los
desalineamientos y la variación de la distancia al secundario y
conseguir así, transferir la potencia nominal, implantándose en un
sistema de carga de baterías para vehículos eléctricos tanto en
reposo como en movimiento sin medios auxiliares de acercamiento ni
posicionamiento del vehículo al primario.
Description
Método automático de control de un sistema de
transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta
frecuencia.
La presente invención tiene por objeto un método
automático de control de un sistema de transferencia de potencia
con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que mantiene la
potencia transferida a la carga igual a la nominal con
desalineamientos de hasta el 99% del área del secundario.
El método automático controla la tensión de
alimentación y frecuencia del sistema de transferencia de potencia
con acoplamiento inductivo, que de ahora en adelante se escribirá
con sus siglas ICPT (en inglés "Inductive Coupling Power
Transfer") mediante un sistema de control en bucle cerrado, para
regular los des-alineamientos y la variación de la
distancia al secundario y conseguir así, transferir la potencia
nominal.
El método automático de control del sistema ICPT
se implanta en un sistema de carga de baterías para vehículos
eléctricos tanto en reposo como en movimiento sin medios auxiliares
de acercamiento ni posicionamiento del vehículo al primario.
Son conocidos en el estado de la técnica los
sistemas ICPT, que son sistemas formados por dos bobinas o
devanados eléctricamente aislados y acoplados magnéticamente a
través del aire, que son capaces de transferir potencia con una
elevada eficiencia.
En el aire, el acoplamiento entre bobinas es
mucho menor que en el caso de transformadores o motores, en los que
el acoplamiento se hace a través de un núcleo magnético. Por esta
razón, para conseguir elevados rendimientos en la transferencia es
necesario trabajar a elevadas frecuencias y con las bobinas
compensadas mediante condensadores en ambos bobinados. Estos
condensadores de acoplamiento, hacen que todo el sistema trabaje en
resonancia y por tanto se transfiere la potencia deseada con un
elevado rendimiento.
\vskip1.000000\baselineskip
Los sistemas ICPT presentan dos partes bien
diferenciadas.
- \bullet
- Un sistema de primario formado por un bobinado de N_{1} espiras y de sección S_{1}, un sistema de compensación y un sistema de alimentación en alta frecuencia que alimenta al primario con una tensión modulada con técnicas PWM.
- \bullet
- Un sistema de secundario o pick-up formado por una bobina receptora de N_{2} espiras y de sección S_{2}, un sistema de compensación y un convertidor que adapta la tensión y corriente transferidas a las necesidades de la carga eléctrica.
\vskip1.000000\baselineskip
Los sistemas de compensación básicos están
formados por un condensador de resonancia C_{x} conectado
en serie y/o paralelo. Existen por tanto cuatro diferentes tipos de
compensación dependiendo de la conexión serie o paralelo de los
condensadores a las bobinas del primario y del secundario.
Aparte de los sistemas básicos existen sistemas
de compensación más complejos que presentan combinaciones de
condensadores y bobinas conectados en serie y/o en paralelo en el
primario y/o el secundario.
Dentro de las aplicaciones de los sistemas ICPT
se encuentra la alimentación de vehículos eléctricos tanto en
movimiento como parados, a través de uno o varios conductores por
debajo de dichos vehículos. Estos sistemas se denominan
respectivamente sistemas de secundario móvil, o sistemas de
secundario fijo.
Dentro de estas aplicaciones existen dos
sistemas físicos en función de cómo se realiza la captura de flujo
por parte del secundario, los sistemas de captura del flujo normal
y los sistemas de captura del flujo tangencial o trasversal.
Los sistemas de flujo trasversal están formados
en su forma básica por un único conductor en primario situado bajo
el asfalto que hace de línea de transmisión y una bobina de
secundario en posición trasversal respecto del conductor de
primario. Debido a que el coeficiente de inducción mutua es muy
bajo en este sistema, es indispensable que la bobina de secundario
esté bobinada sobre un núcleo de ferrita.
Este sistema permite desalineamientos de muy
pequeña magnitud, ya que la potencia transferida decae rápidamente
cuando la bobina de secundario se desplaza a izquierda o derecha.
Existen soluciones con varios conductores que permiten cierto
desalineamiento siempre y cuando la bobina de secundario no salga
de los límites de la vertical marcada por los conductores situados
en los extremos. Estas soluciones son mucho más caras y el
coeficiente de acoplamiento sigue siendo bajo.
Los sistemas de captura de flujo normal mediante
dos bobinas planas enfrentadas presentan un coeficiente de
inducción mutua "M" mucho mayor que los sistemas de captura
del flujo trasversal. La bobina de primario es de una anchura
equivalente a la del secundario aunque puede llegar a ser mucho más
larga si se quiere transmitir potencia en un área mayor o adecuar
una zona de carga para vehículos en movimiento.
El comportamiento de estos sistemas frente al
desalineamiento, depende fuertemente del tipo de compensación
utilizada. Cuando la compensación en el primario es en paralelo, es
decir, tipos PS y PP el comportamiento es análogo a los sistemas de
flujo trasversal, perdiendo capacidad de transferencia de potencia
conforme el secundario se desplaza respecto de la posición
centrada.
Cuando la compensación en el primario es en
serie, es decir, tipos SS, serie-serie y SP, serie-
paralelo, la potencia transferida aumenta conforme el secundario
se separa de la posición centrada hasta alcanzar 2,5 veces la
potencia nominal para desplazamientos del 50% del área de la bobina
de secundario, poniendo en peligro la integridad del sistema de
alimentación y de las propias bobinas, disminuyendo bruscamente la
potencia para desalineamientos mayores.
En los sistemas de carga de baterías existentes
el posicionamiento de las bobinas se realiza con la ayuda de
sistemas electromecánicos auxiliares que hacen que el alineamiento
sea perfecto y siempre para pequeñas distancias de acoplamiento en
la dirección vertical, para que el proceso de transferencia sea
óptimo. Este tipo de alineamientos resulta caro y lento.
El método automático de control de un sistema de
transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta
frecuencia de la presente invención resuelve todos los
inconvenientes anteriores asociados a los sistemas de transferencia
de potencia con acoplamiento inductivo, manteniendo la potencia
transferida igual a la nominal con desalineamientos de hasta el 99%
del área del secundario y evitando los riesgos eléctricos para el
sistema de alimentación.
La presente invención se refiere a un método
automático de control de un sistema de transferencia de potencia
con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que mantiene la
potencia transferida a la carga igual a la nominal con un
rendimiento óptimo (manteniendo al sistema en condiciones de
resonancia en todo momento) cuando el sistema presenta
desalineamientos de hasta el 99% del área de la bobina del
secundario.
Es decir, cuando al menos el 1% del área de la
bobina del secundario esté enfrentada a la bobina del primario se
mantendrá la potencia transferida a la carga igual a la nominal
mediante dicho método automático de control. Los desalineamientos
pueden ser en cualquiera de los dos ejes del plano horizontal o en
una combinación de ambas direcciones.
Este método se aplica tanto en sistemas de carga
de baterías con secundario fijo como en sistemas de alimentación
ininterrumpida de dichas baterías con secundario móvil.
El método automático de control del sistema ICPT
incluye un sistema de alimentación de la tensión de entrada, un
sistema de control en bucle cerrado, el propio acoplamiento
inductivo entre el devanado del primario y el devanado del
secundario, el sistema de carga de las baterías o de alimentación
ininterrumpidas de dichas baterías con secundario móvil que a su
vez presenta un sistema de apantallamiento de emisiones
electromagnéticas para proteger las posibles partes internas o
elementos externos que se puedan ver afectados por la
radiación.
La tensión de entrada del sistema de
alimentación en alta frecuencia es modulada por el sistema de
control en bucle cerrado que presenta un modulador de frecuencia
por ancho de pulso PWM (en inglés "pulse-width
modulation"), que emplea una onda cuadrada cuya anchura de pulso
es modulada modificando el ciclo de trabajo (en inglés "duty
cycle") de la señal de entrada.
El sistema de control actúa de la siguiente
manera: toma la información de la potencia y el desfase entre la
tensión y corriente, el control modifica la frecuencia de
alimentación para que el desfase entre tensión y corriente sea nulo
de manera que se maximiza el rendimiento del sistema y, por otro
lado, modifica la tensión de alimentación del sistema de manera que
la potencia de alimentación sigue a la consigna demandada por el
sistema.
El desfase se debe medir en la tensión y
corriente de secundario para la configuración con compensación
serie-serie y en el resto de sistemas básicos de
compensación se puede medir además en la tensión y corriente de
primario pues el desfase se refleja de manera directa. La potencia
se estima utilizando las mismas variables utilizadas para estimar
el desfase.
Debido a este control en bucle cerrado se
consigue:
- \bullet
- No aplicar toda la tensión al sistema de acoplamiento inductivo en el instante inicial, ya que la corriente consumida puede llegar a ser hasta 2.5 veces la corriente en régimen permanente.
- \bullet
- Realizar el control de la potencia transferida al sistema de carga de las baterías. Si se desea variar la potencia transferida basta variar la anchura de la onda cuadrada.
- \bullet
- Controlar el sistema de acoplamiento frente a los desalineamientos y variación de distancia ya que realizando un control de la tensión se consigue transferir adecuadamente la potencia nominal del acoplamiento incluso con elevados valores de desalineamiento o variación de distancia.
Al realizar el control sobre las compensaciones
PS, paralelo-serie y PP,
paralelo-paralelo, ineficaces antes del control ya
que al desalinearse las bobinas o devanados tanto la potencia
absorbida como la potencia transferida a la carga disminuyen
rápidamente, se consigue mantener la potencia constante mediante un
aumento de la tensión de alimentación.
Al realizar el control sobre las compensaciones
SS y SP, inestables antes del control ya que al desalinearse las
bobinas o devanados tanto la potencia absorbida como la potencia
transferida a la carga aumentan, se consigue mantener la potencia
constante mediante una disminución de la tensión de
alimentación.
Así, mediante el control anterior, las
compensaciones básicas se vuelven fiables y robustas frente a
desalineamientos entre bobinas, ya que el vehículo puede recibir la
potencia nominal incluso con desalineamientos elevados en torno al
99%.
Conforme las bobinas de primario y secundario se
desalinean, el sistema de control puede mantener la potencia
transferida a la carga constante modificando la frecuencia y módulo
de la tensión y la corriente de alimentación.
Hay que hacer notar que, con carácter general, a
mayor desalineamiento mayor tensión o corriente se le debe
suministrar al sistema ICPT, por lo tanto, la elección de un
desalineamiento máximo implica unas necesidades específicas para la
fuente de alimentación. Es decir, la fuente de alimentación deberá
estar sobredimensionada con respecto a las condiciones nominales en
alineamiento perfecto. Esto quiere decir que el sistema de control
en sí no impone unos límites en el desalineamiento máximo, sino que
éste depende de la dimensión que se le haya dado a la fuente de
alimentación.
El método de control propuesto asegura que el
sistema trabaja en todo momento con rendimiento óptimo, para lo que
minimiza la tensión y corriente en la fuente de alimentación.
El sistema de control asegura a su vez la
integridad del sistema actuando de la siguiente manera. Mantiene la
potencia consignada para cualquier desalineamiento hasta que el
sistema de alimentación alcanza su valor nominal, para
desalineamientos mayores, para los que se necesita mayor potencia,
entrega la máxima potencia posible de manera que se cumplen dos
condiciones: el rendimiento es óptimo (manteniendo el sistema en
resonancia en todo momento); la potencia entregada es la máxima que
permite el sistema de alimentación.
Así mismo, el dispositivo del secundario del
acoplamiento inductivo utiliza un apantallamiento permitiendo
confinar el flujo a la superficie abarcada por dicho secundario,
siendo despreciable el flujo en el exterior que incide sobre las
personas que en ese momento se encuentren cerca del sistema de
carga, además de que aumenta el coeficiente de inducción mutua y se
puede transferir la misma potencia a la misma distancia pero con
una menor frecuencia de trabajo.
En resumen, la invención se refiere a un método
automático de control de un dispositivo de transferencia de
potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia
caracterizado porque presenta un sistema de control en bucle
cerrado que controla desalineamientos de hasta un 99% del área del
devanado del secundario mediante el control de la frecuencia y el
módulo de la tensión de entrada de un sistema de alimentación en
alta frecuencia, con lo que se consigue mantener la potencia
transferida a un sistema de carga de baterías igual a la nominal,
tanto para sistemas de carga de baterías con secundario fijo como
para sistemas de alimentación ininterrumpida con secundario
móvil.
Se complementa la presente memoria descriptiva,
con un juego de planos y gráficos ilustrativos del ejemplo
preferente y nunca limitativo de la invención.
La Figura 1 muestra en la parte superior una
vista en perspectiva de un sistema ICPT para carga de baterías de
vehículos y en la parte inferior una vista en sección del mismo en
las dos situaciones, alineada, mostrada a la izquierda y
desalineada, mostrada a la derecha.
La Figura 2 muestra las curvas de potencia en la
carga, corriente absorbida y tensión corregidas, en línea
continua, respecto a la nominal frente al desalineamiento X para un
sistema ICPT con compensación SS. Las curvas en línea discontinua
son antes de efectuar el control.
La Figura 3 muestra las curvas de potencia en la
carga, corriente absorbida, tensión y frecuencia corregidas
respecto a la nominal, en línea continua, frente al desalineamiento
X para un sistema ICPT con compensación SP. Las curvas en línea
discontinua son antes de efectuar el control.
La Figura 4 muestra la variación de la potencia
absorbida y entregada a la carga respecto de la nominal frente al
desalineamiento X para un sistema ICPT con compensación SPS.
La Figura 5 muestra un diagrama de bloques del
método automático de control para las configuraciones SS, PS y SPS
con compensación serie en secundario.
La Figura 6 muestra un diagrama de bloques del
método automático de control para las configuraciones SP y PP con
compensación paralelo en secundario.
La Figura 7 muestra tres tablas donde se recogen
una serie de valores de desviación máxima del rendimiento,
potencia entregada en la carga, potencia absorbida, intensidad en
el primario, tensión en el primario y frecuencia frente a los
valores nominales para distintos valores de desalineamiento X, para
configuración SP, la más superior, para configuración PS, la
intermedia y para configuración SPS, la inferior.
\vskip1.000000\baselineskip
A la vista de lo anteriormente enunciado, la
presente invención se refiere a un método automático de control de
un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento (1)
inductivo en alta frecuencia que mantiene la potencia transferida a
un sistema (2) de carga de baterías de un vehículo igual a la
nominal con desalineamientos de hasta el 99% del área del
secundario (1.2) para cualquier tipo de las compensaciones básicas
o complejas que se puedan plantear.
En este ejemplo de realización preferente, se ha
elegido una configuración de compensación SPS, con un sistema de
flujo normal, pues es la configuración que mejor comportamiento
estático presenta frente a des-alineamientos.
La configuración de compensación SPS presenta en
el primario (1.1) un condensador en serie junto con otro en
paralelo y en el secundario (1.2) un condensador en serie.
La configuración de potencia de alimentación,
integrada en un sistema (3) de alimentación, es de tipo
push-pull, o similar, pues permite aumentar o
disminuir el valor medio de la tensión entregada al acoplamiento
inductivo (1), independientemente de la compensación elegida.
Mediante un sistema (4) de control en bucle
cerrado se realiza un control mediante un convertidor (4.1) de
potencia por ancho de pulso PWM, que en este ejemplo es un
modulador PWM de un solo pulso, siendo las frecuencias habituales
de transferencia de potencia entre 10 y 20 kHz para sistemas de
elevada potencia y frecuencias mayores en pequeñas potencias. La
corriente es senoidal incluso con bajos valores del ciclo de
trabajo, siempre que se ajuste la frecuencia de alimentación para
que el sistema completo se encuentre en resonancia.
El sistema (4) de control en bucle cerrado toma
la tensión y corriente de alimentación al sistema (2) de carga en
el sistema secundario (1.2). Esta información es transferida vía
radio (5) al sistema primario (1.1).
El sistema (4) de control en bucle cerrado
analiza el desfase entre la tensión y la corriente para mantenerlo
lo más cercano a cero de manera que se maximiza el rendimiento. Por
otro lado, calcula la potencia entregada de manera que se ajusta la
tensión de alimentación para mantener la potencia igual a la
consignada o igual al límite del sistema de alimentación si éste se
alcanza antes de alcanzar la potencia consignada. El sistema (4) de
control en bucle cerrado se implementa mediante un regulador PI
digital.
Mediante el método de control automático se
controla el sistema de acoplamiento (1) inductivo con configuración
SPS frente a desalineamientos de hasta el 99% entre el primario
(1.1) y el secundario (1.2) ya que se consigue transferir
adecuadamente la potencia nominal del acoplamiento (1)
inductivo.
En las configuraciones que presentan
compensación SP, PS y PP no es necesario medir ninguna magnitud
del secundario (1.2) para el control del sistema, ya que cuando hay
desalineamiento entre el primario (1.1) y el secundario (1.2), la
corriente de primario se retrasa respecto de la tensión. Realizando
una medición (7) de este desfase entre la tensión y la corriente en
el primario (1.1), se obtiene una información directa del desacoplo
que se esta produciendo y, por tanto, se puede actuar sobre la
tensión y frecuencia para corregirlo.
En la figura 7 se pueden observar una serie de
valores de desviación máxima de las diferentes variables del
sistema para distintos valores de desalineamiento. Por ejemplo,
para un desalineamiento del 50% en un sistema con compensación SP,
el rendimiento disminuye un 5%, la potencia entregada es constante,
la potencia en primario aumenta un 4,5%, la corriente en primario
aumenta un 90% y la tensión disminuye un 45%; todas ellas
desviaciones máximas con respecto a los parámetros nominales con
alineamiento perfecto.
El sistema (3) de alimentación presenta una
fuente (3.1) de alimentación en corriente alterna, un transformador
(3.2), un convertidor (3.3) de corriente continua a corriente
alterna y un puente en H (3.4).
En el sistema (4) de control existe una tensión
(4.2) de referencia del control (4.1) PWM, mientras que en el
sistema (2) de carga de baterías existe un convertidor (2.1) de
corriente continua a corriente alterna, un convertidor (2.2) de
corriente continua a corriente continua, además de la propia carga
(2.3).
Algunos ejemplos de realizaciones tanto del
primario (1.1) como del secundario (1.2) , mostrados en la Figura
2 emplean bobinas o devanados (1.1.1, 1.2.1) planos enfrentados,
mientras que el método descrito anteriormente también es aplicable
en acoplamientos (1) inductivos donde el devanado (1.1.1) del
primario (1.1) es de mayor longitud que el devanado (1.2.1) del
secundario (1.2) de manera que en este caso no hay
des-alineamiento en dirección longitudinal, ya que
mientras el devanado (1.2.1) del secundario (1.2) se encuentre en
la vertical del devanado (1.1.1) del primario (1.1), la potencia
entregada permanece constante. Esto elimina un grado de libertad y
solo hay que controlar desacoplos en la dirección transversal.
No alteran la esencialidad de esta invención
variaciones en materiales, forma, tamaño y disposición de los
elementos componentes, descritos de manera no limitativa, bastando
ésta para proceder a su reproducción por un experto.
Claims (10)
1. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia caracterizado porque presenta un sistema
de (4) de control en bucle cerrado que controla desalineamientos de
hasta un 99% del área del devanado (1.2.1) del secundario (1.2)
debido a que
- \bullet
- el sistema (4) de control en bucle cerrado toma la información de la potencia transferida al sistema (2) de carga y el desfase entre la tensión suministrada por un sistema (3) de alimentación y la corriente absorbida,
- \bullet
- modifica la frecuencia de alimentación para que el desfase entre tensión y corriente sea nulo, y
- \bullet
- modifica la tensión de alimentación del sistema (3) de alimentación de manera que la potencia de alimentación sigue a la consigna demandada por el sistema,
- \bullet
- mantiene la potencia consignada para cualquier desalineamiento hasta que el sistema (3) de alimentación alcanza su valor nominal.
con lo que se consigue mantener la
potencia transferida a un sistema (2) de carga de baterías igual a
la nominal, tanto para sistemas (2) de carga de baterías con
secundario (1.2) fijo como para sistemas (3) de alimentación
ininterrumpida con secundario (1.2)
móvil.
2. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado
porque para desalineamientos mayores para los que se necesita mayor
potencia que la consignada, se entrega la máxima potencia posible,
manteniendo el sistema en resonancia en todo momento, y la potencia
entregada es la máxima que permite el sistema (3) de
alimentación.
3. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado
porque el desfase y la potencia transferida a la carga se obtienen
con la medición (6) de la tensión y corriente del secundario para
todas las configuraciones, pudiéndose también realizar la medición
(7) de la tensión y la corriente de primario en los sistemas con
compensación PS ó paraleloserie, SP ó
serie-paralelo y PP ó
paralelo-paralelo puesto que el desfase se refleja
de manera directa.
4. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado
porque la tensión de entrada del sistema (3) de alimentación es
modulada por el sistema (4) de control en bucle cerrado mediante un
convertidor (4.1) de potencia por ancho de pulso PWM que emplea
una onda cuadrada cuya anchura de pulso es modulada modificando el
ciclo de trabajo.
5. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 4 caracterizado
porque permite no aplicar toda la tensión al sistema de
acoplamiento (1) inductivo en el instante inicial, ya que la
corriente consumida puede llegar a ser hasta 2.5 veces la corriente
en régimen permanente.
6. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 4 caracterizado
porque si se desea variar la potencia transferida basta variar la
anchura de la onda cuadrada.
7. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 4 caracterizado
porque la tensión de entrada del sistema (3) de alimentación es un
puente en H y se realiza un control PWM de un solo pulso siendo
las frecuencias habituales de transferencia de potencia entre 10 y
20 kHz para sistemas de elevada potencia y frecuencias mayores en
pequeñas potencias.
8. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado
porque la configuración de la potencia de alimentación, integrada
en el sistema (3) de alimentación, es de tipo
push-pull, o similar, pues permite aumentar o
disminuir el valor medio de la tensión entregada al acoplamiento
inductivo (1).
9. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado
porque es aplicable en acoplamientos (1) inductivos donde el
devanado (1.1.1) del primario (1.1) es de mayor longitud que el
devanado (1.2.1) del secundario (1.2) de manera que en este caso no
hay desalineamiento en dirección longitudinal, ya que mientras el
devanado (1.2.1) del secundario (1.2) se encuentre en la vertical
del devanado (1.1.1) del primario (1.1), la potencia entregada
permanece constante.
10. Método automático de control de un
dispositivo de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo
en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado
porque el sistema (2) de carga de baterías presenta un sistema de
apantallamiento de emisiones electromagnéticas para proteger las
posibles partes internas o elementos externos que se puedan ver
afectados por la radiación.
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