ES2640914T3 - Operar un dispositivo trifásico utilizando alimentación monofásica - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo transformador (34) para usar alimentación de entrada monofásica para proporcionar energía a un dispositivo trifásico (22), que comprende: una parte de bucle de enganche en fase (40) que utiliza un componente directo estimado y un componente de cuadratura estimado basado en la alimentación de entrada monofásica, donde la parte de bucle de enganche en fase (40) tiene tres entradas de fase (44, 46, 48) y donde, cuando se recibe la alimentación de entrada monofásica, una de las tres entradas trifásicas (44, 46, 48) se establece a cero voltios y las otras dos entradas trifásicas (44, 46, 48) se acoplan a cables de la alimentación de entrada monofásica.
Description
DESCRIPCION
Operar un dispositivo trifasico utilizando alimentacion monofasica 5 1. Campo de la invencion.
Esta invencion se refiere generalmente a los sistemas de control de energfa. Mas particularmente, esta invencion se refiere a proporcionar alimentacion monofasica a un dispositivo que normalmente opera sobre alimentacion monofasica.
10
2. Descripcion de la tecnica relacionada
Los motores electricos son bien conocidos y ampliamente usados. Tienen diferentes tamanos y estilos. Una utilizacion de ejemplo de un motor electrico es una maquina elevadora que mueve una polea de traccion para 15 propulsar una cabina de ascensor hacia arriba o hacia abajo a traves de un hueco de ascensor, por ejemplo.
Recientemente, las maquinas con sistemas de regeneracion de energfa se han introducido en los sistemas elevadores. Las maquinas con sistemas de regeneracion de energfa incluyen un motor electrico que extrae energfa desde una fuente de energfa con el fin de mover una cabina y contrapeso a traves de un hueco de ascensor en una 20 primera direccion y genera la energfa que se proporciona de vuelva a la fuente de energfa cuando permite a la cabina y contrapeso a moverse en la direccion opuesta. Los sistemas de regeneracion de energfa aprovechan la capacidad de un motor electrico para actuar como generador cuando el peso de la cabina y del contrapeso causan el movimiento deseado siempre que la maquina accionadora permita a la polea de traccion moverse correspondientemente.
25
Dichas maquinas con sistemas de regeneracion de energfa funcionan sobre una entrada de energfa trifasica. Hay veces en las que la entrada de energfa trifasica no esta disponible. Por ejemplo, durante la instalacion inicial del sistema elevador, normalmente no hay un suministro electrico trifasico en el edificio en construccion. Como mucho, puede haber disponible alimentacion monofasica durante la instalacion del sistema elevador. Es deseable poder 30 mover la cabina del elevador en al menos un modo limitado durante la instalacion en muchos casos. La dificultad es que, sin alimentacion trifasica, un motor con sistema de regeneracion de energfa trifasico no puede funcionar, y, por tanto, no puede utilizarse durante la instalacion del elevador.
Existe la necesidad de poder utilizar un motor con sistema de regeneracion de energfa trifasico incluso durante la 35 instalacion del elevador, cuando la alimentacion trifasica no esta disponible. Hay otras situaciones en las que un dispositivo trifasico sena util incluso cuando la alimentacion trifasica no esta disponible. Esta invencion aborda la necesidad de poder proporcionar alimentacion monofasica para operar un dispositivo trifasico.
US 2003/169015 A1 describe un aparato para determinar una frecuencia operativa fundamental de un estator en 40 una maquina de induccion trifasico donde la maquina se caracteriza por un numero de frecuencia armonico dominante espedfico del sistema, el aparato comprendiendo: un generador para inyectar una senal de tension de frecuencia alta que tiene una frecuencia alta en la maquina generando asf una corriente de frecuencia alta dentro de los bobinados del estator; un modulo para identificar los componentes de la senal de retroalimentacion de frecuencia alta bifasica estacionaria que incluye informacion de la posicion de campo del estator; un modulo para identificar un 45 espectro de baja frecuencia que se corresponde con los componentes de la senal de retroalimentacion; y un modulo para combinar matematicamente el espectro de baja frecuencia y el numero armonico dominante espedfico del sistema para generar una estimacion de la frecuencia fundamental del estator.
EP 1 429 450 A1 describe un aparato de control del motor, donde una seccion de control recibe una tension de 50 entrada a un circuito inversor, una corriente del motor que fluye a un motor sin escobillas, y un valor de comando de corriente del motor que indica el valor de una corriente necesaria para fluir al circuito del inversor, y controla el circuito del inversor manteniendo una fase de la tension aplicada al motor sin escobillas cuando el valor de la tension de entrada al circuito del inversor es mas pequeno que el valor de una tension requerida para su aplicacion al motor sin escobillas.
55
RESUMEN DE LA INVENCION:
Un dispositivo transformador descrito como ejemplo para utilizar alimentacion de entrada monofasica para proporcionar energfa a un dispositivo trifasico incluye una parte de bucle de enganche en fase que utiliza un 60 componente directo estimado y un componente de cuadratura estimada basados en la alimentacion de entrada
monofasica.
En un ejemplo, el componente directo se estima en base a una tension medida de la alimentacion de entrada monofasica. El componente de cuadratura se estima en base a un derivado numerico del componente directo 5 estimado. En un ejemplo, el derivado numerico se escala en base a una frecuencia de la alimentacion de entrada.
En un ejemplo, una parte del regulador de corriente utiliza el componente directo estimado de la alimentacion de entrada monofasica como una entrada de alimentacion prospectiva para minimizar el error a la hora de suministrar corriente al dispositivo trifasico.
10
Las disposiciones del ejemplo descrito facilitan la utilizacion de un dispositivo trifasico y regenerativo incluso cuando solo hay disponible alimentacion monofasica para operar el dispositivo.
Las diferentes caractensticas y ventajas de esta invencion seran aparentes para aquellos expertos en la tecnica a 15 partir de la siguiente descripcion detallada de la realizacion preferida actualmente. Los dibujos que acompanan la descripcion detallada pueden describirse brevemente como sigue.
Breve descripcion de los dibujos
20 La Figura 1 ilustra de forma esquematica las partes seleccionadas de un sistema elevador que incorpora un dispositivo trifasico y una disposicion de alimentacion disenada de acuerdo con una realizacion de esta invencion.
La Figura 2 ilustra de forma esquematica partes seleccionadas de una interfaz de convertidor de ejemplo utiles con una realizacion de esta invencion.
La Figura 3 ilustra de forma esquematica un esquema de control monofasico de ejemplo util con una realizacion de 25 esta invencion.
La Figura 4 ilustra de forma esquematica un modelo de regulador de corriente e ejemplo util con una realizacion de esta invencion.
La Figura 5 ilustra de forma esquematica un modelo de un regulador de tension de ejemplo util con una realizacion de esta invencion.
30
DESCRIPCION DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
La Figura 1 ilustra de forma esquematica partes seleccionadas de un sistema elevador 20. Una maquina accionadora 22 incluye un motor electrico, por ejemplo, para propulsar cuerda 24 para causar el movimiento 35 deseado de una cabina de elevador 26 y un contrapeso 28 a traves de un hueco de ascensor en una forma conocida. En este ejemplo, la maquina accionadora 22 incluye una maquina trifasica regenerativa de forma que el motor electrico puede utilizarse para proporcionar energfa en un modo generador de acuerdo con los principios de funcionamiento conocidos del motor. La maquina accionadora 22 de este ejemplo incluye un motor electrico que funciona en base a alimentacion electrica trifasica bajo circunstancias normales.
40
Un controlador 30 proporciona senales para operar el motor de la maquina accionadora 22. El controlador 30 recibe energfa de una fuente de alimentacion 32 que en ultima instancia es una fuente de energfa trifasica. Una interfaz transformadora 34 asegura, por ejemplo, que existe una fase apropiada proporcionada al controlador 30 para conseguir el funcionamiento deseado de la maquina accionadora.
45
Bajo algunas circunstancias, como durante la instalacion del sistema elevador, la fuente de alimentacion 32 puede no estar disponible como fuente de alimentacion trifasica. En algunas instancias, la alimentacion monofasica esta disponible durante la construccion del edificio y, por tanto, la instalacion del sistema elevador. La interfaz transformadora 34 de este ejemplo es util sin importar si la fuente de alimentacion 32 es una fuente de alimentacion 50 monofasica o una fuente de alimentacion trifasica. La interfaz transformadora 34 opera de forma que acomoda la diferencia entre una fuente de energfa monofasica y una fuente de energfa trifasica de forma que el controlador 30 y la maquina accionadora 22 puedan funcionar en al menos un modo limitado durante la instalacion del sistema elevador. Una ventaja del ejemplo descrito es que la interfaz transformadora 34 no requiere un transformador independiente o componentes de hardware independientes para operar de forma reactiva a una alimentacion 55 monofasica. En vez de eso, la interfaz transformadora 34 acomoda el funcionamiento de la maquina, tanto si el suministro de la fuente de alimentacion es trifasico o monofasico.
La Figura 2 ilustra de forma esquematica partes seleccionadas de una interfaz transformadora de ejemplo 34. Una parte de filtro 36 funciona de una forma generalmente conocida. Una parte reguladora de corriente 38 tiene 60 elementos inductivos y resistivos como se conoce normalmente para regular la corriente proporcionada a una parte
de bucle de enganche en fase (PLL) 40. Una parte reguladora de la tension del bus 42 proporciona la senal de corriente final al controlador 30 para el funcionamiento de la maquina accionadora 22.
La interfaz transformadora 34 de ejemplo de la Figura 2 normalmente funciona cuando la fuente de alimentacion 32 5 proporciona alimentacion trifasica (es decir, una fase R, una fase S y una fase T). El ejemplo de la Figura 2 se muestra en una condicion que es muy adecuada para responder a la alimentacion monofasica. La entrada T 44 (es decir, la entrada T de puente H IGBT) esta desconectada y no recibe alimentacion. Esto puede conseguirse mediante un conmutador mecanico (no ilustrado), por ejemplo, dentro de la interfaz transformadora 34. Por tanto, cuando un tecnico va a acoplar alimentacion monofasica para poner en marcha el controlador 30 y la maquina 10 accionadora 22, un conmutador apropiado puede manipularse de forma que la entrada T 44 de las fases IGBT no se conectaran a la fuente de alimentacion 32. Las salidas de la parte PLL 40 y la parte reguladora la tension del bus 42 funcionan unicamente basadas en la entrada R 46 y en la entrada S 48 de las fases IGBT. Un esquema de control que proporciona las funciones conmutadoras para el puente H IGBT en las entradas R y S 46 y 48 permite operar la maquina accionadora 22 de forma reactiva a la alimentacion monofasica. En este ejemplo, la entrada R 46 se acopla 15 a un cable de los cables de alimentacion monofasica mientras que la entrada S 48 se acopla al otro cable.
La Figura 3 muestra de forma esquematica un esquema de control de ejemplo que proporciona las funciones conmutadoras para el funcionamiento utilizando alimentacion monofasica. Se proporciona una tension de referencia 50 a un sumador 52. En un ejemplo, la tension de referencia es 750 voltios. La tension de referencia dependera, en 20 parte, al suministro electrico disponible. La salida de la parte reguladora de la tension del bus 42 se proporciona en 54, que proporciona la corriente al controlador 30. La salida 54 se proporciona a una entrada negativa al sumador 52.
La salida del sumador 52 se proporciona a un regulador integral proporcional 56. La funcion del regulador integral 25 proporcional 56 es la de proporcionar una indicacion de cuanta corriente es necesaria para eliminar el error entre el nivel de corriente deseado y el nivel de corriente de salida 54 que finalmente se proporciona al controlador 30.
La salida del regulador integral proporcional 56 se proporciona a un multiplicador 58. La otra entrada al multiplicador 58 es desde la parte PLL 40. En este ejemplo, la parte PLL 40 utiliza una estimacion del componente de cuadratura 30 de la fase de la alimentacion de entrada. Debido a que se proporciona alimentacion monofasica y el PLL normalmente funciona en base a energfa trifasica, existe una necesidad de convertir de forma efectiva la energfa monofasica en un modelo trifasico con fines de funcionamiento.
En este ejemplo, la parte PLL utiliza una estimacion de la fase del componente directo y la fase del componente de 35 cuadratura de la alimentacion de entrada. En un ejemplo, la tension entre las entradas 46 y 48 se detecta utilizando tecnicas convencionales. Esa tension medida se utiliza como una estimacion de la fase de componente directo.
La fase de componente de cuadratura se estima en este ejemplo tomando un derivado numerico de la fase de componente directo. La escala del componente de cuadratura en un ejemplo se ajusta tras la diferenciacion 40 numerica de la fase de componente directo de la tension de la lmea.
En un ejemplo, Vd = Vac sin (0) y sigue que d/dt Vd = Vaccine cos (0). En general, la frecuencia de la lmea no se conoce, pero sera de 50 o 60 Hercios. En este ejemplo, estimar el componente de cuadratura de la fase incluye escalar el derivado numerico en base a la frecuencia de lmea estimada, que se consigue mediante la parte PLL 40. 45 En un ejemplo, si la frecuencia es superior a 55 Hz, se aplica una ganancia de 1/Wline = 1/(2n 60). Si la frecuencia es inferior a 55 Hz, se utiliza una ganancia de 1/Wline = 1/(2n 50). La fase de componente de cuadratura estimada (es decir, la tension del eje q) de la parte PLL 40 es V q = 1/Wline (d/dt Vd).
Una vez que se obtiene el componente de cuadratura estimado, la parte de bucle de enganche de fase 40 opera 50 como equivalente trifasico.
En la Figura 3, la salida desde la parte PLL 40 al multiplicador 58 es una salida de referencia sinusoidal desde el bucle de enganche de fase que esta en fase con la tension de la lmea y se combina con la salida del regulador integral proporcional 56 para proporcionar una referencia de corriente para la parte reguladora de corriente 38.
55
La entrada a la parte reguladora de corriente 38 se proporciona a una entrada positiva de un sumador 60. La salida del sumador 60 se proporciona a un regulador proporcional 62. La salida del regulador proporcional 62 se proporciona a un sumador 64 donde se combina con una entrada de alimentacion prospectiva 66. En este ejemplo, la entrada de alimentacion prospectiva 66 denotaba VR_VS. Esta tension es la misma que la tension en la lmea 60 detectada entre las entradas R y S 46 y 48. La entrada de alimentacion prospectiva 66 proporciona al regulador 38
con la capacidad de minimizar el error de regulation de corriente. En un ejemplo, la entrada de alimentation prospectiva 66 es la misma que el componente directo de la entrada a la parte PLL 40.
La salida del sumador 64 se procesa de una forma generalmente conocida por los elementos del regulador de 5 corriente 68 resultando en una corriente de lmea l_line.
Debido a que el regulador de corriente monofasico opera de forma diferente a un regulador de corriente smcrono ya que la perturbation para un regulador de corriente monofasico no es constante, un regulador proporcional 62 se proporciona en el ejemplo de la Figura 3 en vez de un regulador integral proporcional. Como se sabe, los 10 reguladores integrales proporcionales rechazan las perturbaciones constantes bastante bien, pero la perturbacion para un regulador de corriente monofasico no es constante. En este ejemplo, una combination estrategica de un regulador proporcional con la entrada de alimentacion prospectiva 66, que actua como la perturbacion y se corresponde con la tension de lmea sinusoidal asociada con las entradas R y S 46 y 48, por ejemplo. En el caso de que la entrada de alimentacion prospectiva 66 cancele la perturbacion de tension, el regulador de corriente 38 puede 15 modelarse como se muestra en la Figura 4.
En un ejemplo, el ancho de banda del regulador proporcional 62 se basa en un diseno de regulador integral proporcional. Como se muestra en la figura 4, el regulador 62' esta modelado como un bloque de funcion con una ganancia Kp. Dado el requisito de que el margen de fase deseado, se necesita 0m = 60°, luego la ganancia 20 proporcional puede resolverse a partir de:
Kp = Lwc, Ki = WcR, donde el ancho de banda deseado Wc puede determinarse a partir del retardo Td y las restricciones del margen de fase deseado usando la ecuacion: Wc = (n/2- 0m)/Td. El retardo Td incluye el retardo de muestra y medio periodo de modulation de ancho de impulso. Usando Wc como el ancho de banda para el regulador 25 proporcional 62', la ganancia proporcional Kp se determina como sigue.
La funcion de transferencia de bucle cerrado es
30
Kp
Ls + R + Kp
Luego Kp = Lwc - R = Lwc. En este ejemplo, L es el doble de la inductancia de su equivalente trifasico. El margen de fase resultante es mayor de 60° en el caso de un regulador proporcional. Si se desea un ancho de banda mas alto, aquellos expertos en la tecnica que tengan el beneficio de esta description sabran como usar un margen de fase mas bajo para obtener un ancho de banda mayor.
35
La salida del regulador de corriente 38 se proporciona a un multiplicador 80 dentro del regulador de tension del bus 42. La otra entrada 82 al multiplicador 80 es la medicion de la tension de lmea real. La salida del multiplicador 80 se proporciona a un sumador 84 que tiene una entrada de alimentacion de carga 86 a una entrada negativa del sumador 84. Un bloque regulador de funcion 88 se muestra, proporcionando una regulacion de la tension bus CC de
40 una forma generalmente conocida. En este ejemplo, el controlador 30 opera de forma reactiva a la entrada monofasica y el regulador de tension de bus proporciona una salida adecuada para ese fin. En este ejemplo, la siguiente ecuacion es cierta:
45
50
C Vbus — Viine Iline/Vbus “ Pl/Vbus-
dt
La alimentacion de entrada que utiliza un suministro electrico monofasico es sinusoidal y, por tanto, en este ejemplo los valores medios se utilizan para la tension del bus. En un ejemplo, el promedio es .5 (VacI), donde Vac es el voltaje maximo e I es la amplitud de la corriente de la lmea. Correspondientemente, el diseno del regulador PI de tension
c4Vbus = .5VacI/Vbus-PL/Vbus del bus puede basarse en la siguiente relation: at
En un ejemplo, el regulador de tension bus CC 42 puede modelarse como se muestra esquematicamente en la Figura 5. La relacion mostrada en la Figura 5 incluye una ganancia proporcional Kp y una ganancia integral Ki. Estas pueden determinarse en base a las siguientes relaciones.
55 En un ejemplo, el ancho de banda del regulador de corriente es mayor que el ancho de banda del regulador de
tension bus CC, de forma que la funcion de transferencia de bucle abierto en la frecuencia cruzada satisface lo siguiente:
A partir de la ecuacion de magnitud:
2_C1 d Vis K]
K% =
2 Vl
coc
10 y a partir de la ecuacion de fase:
15
A partir de estas dos ecuaciones Kp y Ki puede resolverse como:
5
En un ejemplo, la modulation del ancho de impulso se utiliza para proporcionar corriente al controlador 30 de una forma que sea util para controlar la maquina accionadora 22 de forma reactiva a la energia monofasica. En un 20 ejemplo, la funcion conmutadora de la modulacion del ancho de impulso aplicada a la entrada R 46 y la entrada S 48 es complementaria. En este ejemplo, aunque la entrada R 46 esta conectada al bus positivo, la entrada S 48 esta conectada al bus negativo. De esta forma, el rango de tension que esta disponible desde el bus puede utilizarse por completo.
25 Un esquema de modulacion de ancho de impulso de ejemplo incluye usar una relation de trabajo, d, que varia entre 0 y 1. En este ejemplo, un valor 0 significa que la fase asociada esta conectada al bus negativo para el ciclo de modulacion de la anchura completa del impulso. Un 1 en este ejemplo significa que la fase asociada esta conectada al bus positivo para el ciclo de modulacion de la anchura completa del impulso. La siguiente relacion es util en un ejemplo. dr = V*/2Vbus + 0,5, que es la relacion de trabajo para la entrada R 46. dr describe la cantidad de tiempo 30 durante la cual la entrada R 46 esta activada durante el periodo portador. V* es la referencia de tension, incluyendo el termino de alimentation prospectiva descrito anteriormente, que se proporciona al generador de modulacion de anchura del impulso. ds, es la relacion de trabajo para la entrada S 48 que puede describirse como 1 - dr. Una relacion de trabajo dt de .5 preferiblemente se proporciona a la entrada T 44 en este ejemplo, de forma que se suministran 0 voltios en la entrada T 44.
35
Al utilizar una estimation de los componentes de fase de cuadratura y directos en base a la tension monofasica, el ejemplo descrito hace que sea posible utilizar una configuration disenada para energia trifasica para tambien funcionar con una entrada de energia monofasica. Proporcionando el eje D o el componente directo de la fase al regulador de corriente en forma de alimentacion prospectiva, minimiza el error y permite que el ejemplo descrito 40 funciona en base a una energia monofasica.
Aunque el ejemplo descrito ha sido presentado en el contexto de proporcionar ene^a a una maquina accionadora para un sistema elevador, la invencion no esta limitada necesariamente a sistemas elevadores.
Claims (12)
- REIVINDICACIONES1. Un dispositivo transformador (34) para usar alimentacion de entrada monofasica para proporcionar energfa a un dispositivo trifasico (22), que comprende:5una parte de bucle de enganche en fase (40) que utiliza un componente directo estimado y un componente de cuadratura estimado basado en la alimentacion de entrada monofasica, donde la parte de bucle de enganche en fase (40) tiene tres entradas de fase (44, 46, 48) y donde, cuando se recibe la alimentacion de entrada monofasica, una de las tres entradas trifasicas (44, 46, 48) se establece a cero voltios y las otras dos entradas trifasicas (44, 46, 10 48) se acoplan a cables de la alimentacion de entrada monofasica.
- 2. El dispositivo (34) de la reivindicacion 1, que incluye una parte reguladora de corriente (38) que utiliza el componente directo estimado como entrada de alimentacion prospectiva.15 3. El dispositivo (34) de la reivindicacion 1, donde las tres entradas trifasicas (44, 46, 48) son unaentrada de fase R (46), una entrada de fase S (48) y una entrada de ase T (44), y donde la entrada de fase T (44) se establece a cero voltios y las entradas de fase R y S (46, 48) se acoplan cables de la alimentacion de entrada monofasica.20 4. El dispositivo (34) de la reivindicacion 3, incluyendo un conmutador para aislar de forma selectiva laentrada de fase T.
- 5. El dispositivo (34) de la reivindicacion 1, donde la parte de bucle de enganche en fase (40) utiliza una tension medida de la alimentacion de entrada monofasica como el componente directo estimado.25
- 6. El dispositivo (34) de la reivindicacion 1, donde la parte de bucle de enganche en fase (40) utiliza un derivado numerico del componente directo estimado como el componente de cuadratura estimado.
- 7. El dispositivo (34) de la reivindicacion 6, donde la parte de bucle de enganche en fase (40) utiliza una 30 version escalada del derivado numerico y donde una escala aplicada el derivado numerico se determina en base auna frecuencia de la alimentacion de entrada monofasica.
- 8. El dispositivo (34) de la reivindicacion 7, donde una primera escala se aplica al derivado numerico si la frecuencia esta por encima de los 55 Hz y una segunda escala se aplica si la frecuencia esta por debajo de los 5535 Hz.
- 9. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el dispositivo trifasico (22) es una maquina accionadora para un sistema elevador.40 10. Un procedimiento para operar un dispositivo trifasico (22) usando alimentacion de entrada monofasica,comprendiendo:estimar un componente directo y un componente de cuadratura en base a la alimentacion de entrada monofasica, e incluir la utilizacion de un bucle de enganche en fase (40) con tres entradas de fase (44, 46, 48) y acoplando una de 45 las entradas a cero voltios y respectivamente acoplando las otras dos entradas a cables que proporcionan la alimentacion de entrada monofasica.
- 11. El procedimiento de la reivindicacion 10, incluyendo la estimacion del componente directo en base a una tension medida de la alimentacion de entrada monofasica.50
- 12. El procedimiento de la reivindicacion 10, incluyendo la estimacion del componente de cuadratura en base a un derivado numerico del componente directo.
- 13. El procedimiento de la reivindicacion 12, incluyendo escalar el derivado numerico en base a la 55 frecuencia de la alimentacion de entrada monofasica y, en particular, incluyendo el uso de una primera escala si lafrecuencia esta por encima de los 55 Hz y usar una segunda escala si la frecuencia esta por debajo de los 55 Hz.
- 14. El procedimiento de la reivindicacion 10, incluyendo regular la corriente suministrada para operar el dispositivo trifasico usando el componente directo como una entrada de alimentacion prospectiva para la regulacion de la60 corriente.
- 15. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, donde el dispositivo trifasico (22) esuna maquina accionadora para un sistema elevador.
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