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1 AUTOMATISMES Les départs-moteurs Les départs-moteurs sont utilisés depuis presque aussi longtemps que les moteurs existent. Ils assurent plusieurs fonctions, notamment la mise sous tension du moteur, la protection de celui-ci contre les courts-circuits et les surcharges, et enfin l isolement électrique lorsque le moteur est mis hors tension. Sur le plan technologique, les départs-moteurs ont beaucoup évolué au cours de ces dernières années, ils sont de plus en plus intégrés et disposent de fonctions de communication qui facilitent leur intégration dans les applications d automatismes. Les moteurs électriques à courant alternatif sont absolument partout, leur robustesse n est plus à démontrer. Leur comportement en toutes circonstances est bien connu, la technologie est maîtrisée depuis des décennies. On leur demande malgré tout de faire encore quelques efforts, notamment en matière de rendement ou de tenue dans des environnements très difficiles. Pourtant, malgré leurs états de service, les moteurs en tant que tels n occupent guère le devant de la scène de l actualité. On en parle cependant, mais de manière indirecte. Les grands constructeurs d automatismes ont en effet mis au point des solutions pour mieux piloter ces moteurs, pour les ménager et augmenter leur longévité en exploitation, réduire L essentiel Les départs moteurs assurent des fonctions de protection et d isolement galvanique La plupart du temps, ils sont constitués d éléments séparés qu il faut associer de façon judicieuse Pour simplifier le travail, les constructeurs préconisent des assemblages pré-étudiés, dont le comportement en cas de court-circuit est connu précisément de performances leur consommation, les protéger.l environnement du moteur est en train d évoluer radicalement. On s est toujours préoccupé de protéger les moteurs et les personnes amenées à travailler avec eux : c est le vaste domaine des départs-moteurs. Ceux-ci assurent notamment une protection contre les surcharges et les courts-circuits, ils permettent de mettre ou d enlever le courant en toute sécurité. Pendant longtemps, on s est contenté de ces fonctions de base. Puis sont arrivés les démarreurs, qui permettent de maîtriser le courant du moteur et donc d augmenter sa durée de vie. Ils évitent aussi les à-coups supportés par la charge entraînée, ce qui là aussi contribue à assurer la longévité des installations. Ces démarreurs assurent la protection contre les surcharges, une fonction régalienne de tout départ-moteur. Les démarreurs électromécaniques peuvent aussi assurer la fonction isolement, qui garantit qu aucun courant ne peut traverser le démarreur lorsque le démarreur est hors service. Le démarreur électronique ne peut pas en dire autant. La commutation du courant appliquée au moteur est en effet assurée par des thyristors, qui sont des composants électroniques : ceux-ci ne sont pas à l abri de courants de fuites lorsque le démarreur est hors service mais qu il reste sous tension. Il faut donc, dans ce cas, prévoir un dispositif d isolement, un contacteur par exemple. Les variateurs de vitesse évoluent exactement dans le même contexte : ils assurent des fonctions de protection contre les surcharges mais ne vont guère au-delà. Et si l utilisation des variateurs de vitesse se répand même en dehors des applications d automatismes (les variateurs permettent de faire d énormes économies d énergie), on aura toujours besoin de départs-moteurs. Ceux-ci assurent plusieurs fonctions de base. Des fonctions de base incontournables Sectionneur. Lorsque l on veut intervenir en toute sécurité sur une installation électrique, il faut travailler hors tension. Il faut assurer une coupure franche, avec une distance diélectrique suffisante, pleinement apparente (visible ou avec un indicateur ouvert ), de façon à isoler électriquement le matériel sur lequel on travaille du reste de l installation électrique. Cette fonction est assurée par le sectionneur. «Celui-ci n a pas de pouvoir de coupure et il ne peut surtout pas être manœuvré en charge sous peine d exploser», avertit Benoît Tupler, gérant d offre Protection Les départs-moteurs sont de plus en plus intelligents,ils deviennent étanches et s intègrent dans les entrées/sorties pilotées par les automates. Siemens 48

2 et commande moteur à Schneider Electric. Il existe des équipements qui ne font que du sectionnement. Mais dans de nombreux cas, la fonction du sectionnement est assurée par des appareils multifonctions tels que les interrupteurs, les disjoncteurs et les contacteurs disjoncteurs. Interrupteur. Lorsqu une installation électrique est sous tension, il est parfois nécessaire de l interrompre en pleine charge, pour effectuer un arrêt d urgence par exemple. Cette fonction est assurée par l interrupteur, qui est un appareil mécanique capable d établir, supporter et interrompre des courants aussi bien dans les conditions normales que les conditions anormales. L interrupteur est souvent associé à un sectionneur. Dans sa position d ouverture, celuici satisfait aux conditions d isolement spécifiées par les normes propres aux sectionneurs. Les disjoncteurs peuvent sans problème remplir la fonction d interrupteur. Protection contre les courts-circuits. Des incidents peuvent toujours survenir sur les installations, se traduisant par une élévation rapide et importante du courant absorbé. Afin d éviter la détérioration des installations et des appareillages, ainsi que les risques d accidents humains, il faut se protéger des courts-circuits. Plusieurs solutions sont envisageables, notamment les fusibles et les disjoncteurs magnétiques. Une des difficultés est de définir le courant de court-circuit et donc le pouvoir de coupure du disjoncteur. Celui-ci dépend en effet des caractéristiques de l installation, de sa configuration, de la longueur et du type des câbles utilisés, du schéma de liaison à la terre adopté. «C est un métier et peu de constructeurs Que faut-il pour piloter le moteur? Type d application Caractéristiques Solution Applications simples Accélération : non contrôlée Départ-moteur associé à un Faibles puissances (<15 kw), Couple de démarrage : 2 à 3 Cn* démarrage étoile-triangle branchement direct du moteur Courant de démarrage : 6 à 7 In** sur le réseau, Vitesse : vitesse nominale du moteur process peu exigeants Couple maximal : 2 à 3,5 Cn* sur le comportement du moteur Décélération : arrêt roue libre, freinage électrique possible Applications avec Accélération : contrôlée par application d une rampe simple Démarreur et/ou ralentisseur démarrages difficiles Couple de démarrage : réglable de 0,5 à 1 Cn* Protection thermique intégrée Nécessité de protéger le moteur Courant de démarrage : limitable de 2 à 5 In** Sur certains modèles, protection et la mécanique entraînée Vitesse : vitesse nominale du moteur contre les courts-circuits incorporée Couple maximal : limitable ou égal à Cn* Décélération : contrôlée par application d une rampe simple Applications avec plusieurs Accélération : maîtrisée par l application d une rampe élaborée Variateur régimes de vitesse Couple de démarrage : réglable jusqu à 2 Cn* Protection thermique intégrée Courant de démarrage : limité entre 1 et 1,5 In** Sur certains modèles, protection Vitesse : réglable, y compris au-delà de la vitesse nominale contre les courts-circuits incorporée Couple maximal : limitable jusqu à 2 Cn* Décélération : maîtrisée, avec freinage Cn* : couple nominal - In** : courant nominal dominent le sujet», affirme M.Tupler. Dans le calcul, il faut être précis et ne pas faire d excès de zèle. Il faut que le départ-moteur accepte des pointes de courant, sinon l installation ne pourra pas démarrer ou ne supportera pas une surcharge temporelle.au démarrage, un moteur standard absorbe de 6 à 8fois son courant nominal et le disjoncteur doit accepter ce courant. On considère comme courant de court-circuit un courant de 10 à 13 fois le courant nominal du moteur Protection contre les surcharges. Les moteurs sont souvent amenés à supporter des surcharges, notamment des surcharges mécaniques (au niveau de la charge entraînée) qui ont pour effet d augmenter de façon importante le courant absorbé, provoquant un échauffement du moteur. Un échauffement excessif accélère l usure du moteur et réduit sa durée de vie. Il peut même entraîner sa destruction. Il est donc important de détecter les surcharges afin de déclencher des dispositifs de limitation du courant qui traverse le moteur. Les protections contre les surcharges sont assurées par deux types d équipements : les relais thermiques et les relais électroniques. Les constituants utilisés dans un départ-moteur Composants d un départ-moteur Fonction de base Description Interrupteur Contacteur Relais Disjoncteur Disjoncteur sectionneur thermique magnétique magnéto-thermique Sectionnement Assure la mise hors tension de l installation. Séparation des circuits des sources d énergie Interruption Connexion et interruption des courants dans les conditions normales ou en cas de surcharge Protection contre les courts-circuits Protection contre les dommages causés par les courants de courts-circuits Protection contre les surcharges Protection du moteur contre les effets des courants de surcharge Commutation Etablissement et coupure du courant en charge 49

3 Les classes des relais thermiques Classes de Plages du temps (Tp) de déclenchement déclenchement 1,05 In* 1,2 In* 1,5 In* 7,2 In* 10 Tp > 2 h Tp < 2 h Tp < 4 min. 4 s < Tp < 10 s 20 Tp > 2 h Tp < 2 h Tp < 8 min. 6 s < Tp < 20 s 30 Tp > 2 h Tp < 2 h Tp < 12 min. 9 s < Tp < 30 s In * : courant nominal du moteur La coordination totale Schneider Electric a une longue tradition des départs-moteurs intégrés, comme l atteste la gamme Integral Telemecanique. La gamme TeSys modèle U annoncée récemment (lors de la précédente édition d Elec) s inscrit dans cette lignée. Celle-ci couvre des puissances jusqu à 250 kw. Elle est modulaire, compacte, facile à mettre en œuvre (le câblage est réduit de 80 %). Surtout, la coordination totale est garantie : en cas de court-circuit, il suffit de réarmer, le départ-moteur est immédiatement opérationnel (pas besoin d aller vérifier si un relais thermique ou le contacteur ont été endommagés). La gamme TeSys Model U comporte des modules de contrôle qui servent à personnaliser le départ-moteur. De plus, ils le rendent intelligent et facilitent les diagnostics : il est par exemple possible de comptabiliser le nombre de manœuvres et déclenchements des éléments, le temps de fonctionnement, de connaître en permanence l état du moteur (sous-charge ou surcharge, etc.). Les TeSys disposent d une connexion pour bus de terrain Asi qui facilitent leur intégration dans les automatismes. Faciliter l intégration Chez Siemens, l accent est mis sur la facilité d intégration. C était le premier argument avancé lorsque la gamme de départs-moteurs Sirius est sortie il y a quelques années. La gamme est sortie d un bloc, avec d emblée tous ses accessoires. La taille a été réduite, les modules s emboîtent les uns dans les autres (limitant les câblages), plusieurs départs-moteurs peuvent être accolés les uns aux autres, les contacts auxiliaires se font par le haut ou par le bas. Les produits sont également très communicants, avec des connexions sur bus de terrain Profibus ou Asi, qui réduisent considérablement les câblages. Ces principes ont également été retenus dans les départs-moteurs ET200S High Feature, intégrés sur un bloc d entrées/sorties d automates et qui permettent d économiser jusqu à 80 % du câblage par rapport à une solution classique. Souvent, ceux-ci sont intégrés dans des équipements tels que les disjoncteurs (on parle alors de disjoncteur magnéto-thermiques ou disjoncteurs moteurs ), les démarreurs ou les variateurs de vitesse. Le relais thermique est de loin le dispositif le plus répandu. Il convient bien pour les surcharges faibles et prolongées. Il est ainsi dénommé parce qu il donne une image thermique des enroulements du moteur mais aussi parce que son principe repose sur un contact bilame qui s ouvre sous l effet de la température. Concrètement, chaque enroulement chauffant est raccordé en série avec une phase du moteur et est bobiné autour du bilame (association de deux métaux assemblés par laminage et dont les coefficients de dilatation sont très différents). Lorsque le courant atteint la valeur préréglée, le bilame s ouvre, provoquant l ouverture du contact du relais inséré dans le circuit de la bobine du contacteur, déclenchant ainsi ce dernier. Dans une protection thermique, le courant de déclenchement n est pas le seul paramètre à considérer. Il faut aussi préciser la durée pendant laquelle le courant de surcharge est toléré. Il faut en effet autoriser des surcharges ponctuelles. Cette durée est précisée par des normes. On parle alors de classe de déclenchement. Chaque classe définit, en fonction du courant de déclenchement, la durée pendant lequel la surcharge est tolérée avant que le relais ne soit actionné. Ces classes de déclenchement prennent notamment tout leur sens au moment des démarrages et redémarrages des moteurs, surtout dans les applications où il faut développer des forts couples de démarrage. «Avec des relais thermiques bien choisis,certains industriels font l économie d un démarreur,dont le coût est beaucoup plus élevé», observe Patrick Domange, chef de produits électromécaniques à Moeller. Le relais à sonde thermique PTC est aussi un relais thermique mais fonctionnant de façon radicalement différente. Ici, des capteurs sont placés sur les enroulements du moteur, permettant de connaître leur température réelle. Ces capteurs présentent un temps de réponse très court. Il existe aussi les relais électromagnétiques, basés sur une mesure directe du courant traversant les conducteurs d alimentation du moteur. Une bobine, traversée par le courant à contrôler, et soumise à un champ magnétique (appliqué par un aimant), provoque l attraction de l armature mobile d un circuit magnétique et l ouverture du contacteur principal. Les relais électroniques, enfin, peuvent recevoir un capteur de courant ou un capteur de température. Ils sont aisément programmables et peuvent assurer toutes sortes de protection : surcharges thermiques, déséquilibres, absence ou inversion de phases, défauts d isolement à la terre, marche à vide, etc. Commutation. Son rôle est d établir et de couper le circuit d alimentation du moteur. Les disjoncteurs-moteurs et les interrupteurs, voire les démarreurs et les variateurs de vitesse, peuvent dans certains cas assurer la fonction commutation. Mais le produit le plus répandu et de loin, c est le contacteur électromagnétique. «Il faut dire qu il n y a pas photo! Un disjoncteur va typiquement assurer vaillamment manœuvres alors qu un contacteur peut aller à 100 millions de manœuvres.il y a un rapport 100 entre les deux», indique Guillaune Maigret, chef de produits Commande et Protection Moteurs chez Siemens.Le contacteur comporte un électroaimant. Lorsque la bobine de l électroaimant est alimentée, le contacteur se ferme, établissant ainsi le circuit entre le réseau d alimentation et le moteur. Dans le circuit de commande (bobine) du contacteur, on 50

4 retrouve généralement des arrêts d urgence et les dispositifs de protection thermique. Le pouvoir de fermeture et le pouvoir de coupure, qui définissent les valeurs maximales du courant (respectivement) à la fermeture et à l ouverture du circuit, constituent deux critères essentiels des contacteurs. Dans certaines applications, par exemple dans le cas d un pont roulant ou de l entraînement du tapis d une caisse de supermarché, le problème n est pas la surcharge mais plutôt la fréquence des démarrages et redémarrages. Les contacteurs sont très sollicités et dans ces cas-là, un autre paramètre important est à considérer : le nombre de manœuvres, appelé aussi la durabilité électrique. En effet, les contacteurs électromagnétiques sont des dispositifs mécaniques, avec des contacts que l on actionne et qui s usent si l on s en sert. Les constructeurs donnent des indications assez précises sur le nombre de manœuvres de leurs contacteurs. Sur ses modèles de puissance, Siemens intègre même un module de détection d usure des contacts de puissance. Les contacteurs statiques n ont pas de problèmes de durée de vie mais ils n assurent Les catégories d emploi des contacteurs Catégories Caractéristiques du courant commuté Applications typiques à l établissement à la coupure AC1 Courant thermique Courant thermique Commande de démarreurs ou de variateurs électroniques, du contacteur du contacteur couplage de résistances de démarrage AC2 Courant voisin Courant voisin Machines de levage de forte puissance : ponts roulants, de 2,5 In* de 2,5 In* portiques AC3 Courant de démarrage In (coupure Toues applications courantes : pompes, ventilateurs, de 6 à 8 In* moteur lancé) compresseurs AC4 Courant de démarrage Courant de démarrage Machines et levage de petite puissance à usage intensif : de 6 à 8 In* de 6 à 8 In* palans, concasseurs, positionnement manuel, etc. *In : courant nominal du moteur pas la fonction isolement. L importance de la coordination On l a vu, si les quatre grandes fonctions (sectionnement, protection contre les courtscircuits et les surcharges, commutation) que doit assurer un départ moteur sont clairement identifiées, plusieurs d entre elles peuvent être assurées par un même équipement. Dans ces conditions, il n est pas toujours facile de choisir la configuration la mieux adaptée. Par exemple, les démarreurs ou les variateurs de vitesse ont des fonctions de protection incorporées. C est autant de moins à faire pour le départ-moteur. Les grandes fonctions des départs-moteurs peuvent être assurées par des appareils monofonctions. C est évidemment la solution qui offre le plus de possibilités, notamment en termes de puissances couvertes. Mais cette association peut se révéler encombrante et coûteuse, et elle nécessite pas mal d opérations de 51

5 montage/câblage. De plus, il faut vraiment être un spécialiste pour réaliser les bons assemblages. Pour faciliter le travail, les constructeurs proposent des appareils multifonctions. Il est par exemple possible de réaliser un départ-moteur à trois éléments. Ceux-ci peuvent être un bloc fusibles (protection contre les courts-circuits), un relais thermique (protection contre les surcharges) et un contacteur (sectionnement et commutation). Les quatre fonctions peuvent également être assurées par un disjoncteur (sectionnement, protection contre les courts-circuits), un relais thermique et un contacteur. Il existe aussi des associations de deux produits, c est-à-dire l association d un disjoncteur moteur (c est-à-dire un disjoncteur associé à un relais thermique) et un contacteur : le premier assure les fonctions de sectionnement et de protection contre les courts-circuits et les surcharges, le second assure la commutation. Il existe enfin des associations où tout est intégré dans un même ensemble. On gagne beaucoup en simplicité de mise en œuvre, le câblage est plus simple et il ne faut pas d expertise particulière pour choisir la configuration la mieux adaptée. Pour faciliter la conception de l architecture des départs-moteurs, les constructeurs proposent dans leurs catalogues des associations d éléments : c est la notion de la coordination. En suivant les recommandations des constructeurs, l utilisateur est assuré que son départ-moteur va vraiment se comporter en conformité à la norme IEC 947. Celle-ci fixe trois types de coordination, qui définissent le comportement des appareillages sur courtcircuit et le niveau de service après son interruption (voir notre tableau).avec la coordination totale, l utilisateur est assuré que son départ-moteur ne peut pas se détériorer, qu un court-circuit ne détruira pas le contac- Une longue tradition Moeller est présent depuis pratiquement un siècle sur le marché des départs-moteurs et s enorgueillit d être la première à avoir sorti un disjoncteur-moteur ( ça date de vieux, c était en 1950 ). La société a poursuivi dans la voie de l intégration, avec notamment son PKZ0, un ensemble disjoncteur-contacteur. En plus de son métier d origine (électricien), la société a par la suite développé une activité d automatismes et le mariage des deux s est concrétisé l an passé avec l annonce du démarreur-moteur Xstart qui s intègre dans une architecture d automates. Dans un registre plus classique, on retiendra les contacteurs DILM185 à 820, qui peuvent être pilotés à partir d un interrupteur, d un automate ou d un détecteur d automatismes. On mentionnera aussi le relais électronique ZEV de protection thermique : celui-ci couvre la plage 1 à 820A et est extrêmement facile à câbler sur une installation existante. Une architecture décentralisée En matière de départsmoteurs, ABB a une approche relativement originale. A côté de l offre classique d ABB Entrelec, il existe la gamme Insum proposée par ABB Spie Tableaux. Cette dernière développe des tableaux de distribution basse tension, sur cahier des charges. «Insum est un départ-moteur intelligent qui n est pas vendu en tant que produit mais en tant que solution, intégré dans les armoires que nous livrons», explique Alain Grave, directeur commercial de ABB Spie Tableaux. Cette gamme annoncée il y a deux ans était sans doute destinée à permettre à la société de se démarquer de ses concurrents tableautiers. Cette solution décentralisée basée sur un réseau de terrain Lon permet en effet de réaliser jusqu à 16 % d économies au niveau de l installation (au niveau du câblage, essentiellement) et jusqu à 25 % en exploitation (diagnostics précis, moins de dépannages). Il n est toujours pas envisagé de commercialise Insum en tant que produit, ABB Spie Tableaux ne pouvant (ou préférant ne pas) garantir que cette gamme se marie bien (en termes de CEM) avec les produits de la concurrence Un des points forts d Insum est que tout est paramétrable. «Cet aspect est important dans bien des projets, qui évoluent souvent en cours de route. Ici, il n y a rien à changer ou à recâbler, il suffit de modifier le paramétrage par logiciel», poursuit M. Grave. Schématiquement, Insum est constitué de deux modules de base. On trouve d abord une passerelle qui permet de faire l interface avec le système de contrôle de process (automate, par exemple). La connexion entre les deux est assurée par un bus de terrain classique (Modbus ou Profibus, par exemple). Cette passerelle peut abriter jusqu à 4 routeurs de réseaux de terrain Lon : sur chacun d eux, il est possible de raccorder jusqu à 32 unités de contrôle moteur (MCU), installées dans des tiroirs extractibles à chaud. Les modules MCU assurent des fonctions très diverses : démarrage (plusieurs types), protections diverses, diagnostics, alarmes, etc. Toujours plus simples Chez Rockwell Automation, les dernières évolutions en matière de départsmoteurs portent notamment sur le tout nouveau système de montage141a, qui se veut très simple et assure une séparation entre la partie puissance et la partie commande. Il en résulte une implantation claire, une bonne compatibilité électromagnétique et un dépannage facilité. La partie puissance est câblée sur un connecteur débrochable. Autre point important, il est également possible de tester la partie commande avant de raccorder la partie puissance. Les barres de puissance sont protégées contre les contacts accidentels, même lorsque l on retire les alimentations. Le système de montage 141A peut être utilisé pour les démarreurs directs (tous types) et les variateurs. Le logiciel MCS Star4 permet la sélection des composants des départs-moteurs, leur commande et leur assemblage. Par ailleurs, Rockwell vient d enrichir sa gamme de relais électroniques programmables de protection des moteurs, avec notamment des modèles à effet Hall (capables de travailler du continu à plusieurs khz) et des modèles connectables sur le bus de terrain DeviceNet. 52

6 Coordination des protections Qu est-ce que la coordination? Objectifs de la coordination Pas de coordination Coordination type 1 (IEC ) Coordination type 2 (IEC ) Coordination totale (IEC ) C est la combinaison optimum entre une protection contre les courts-circuits, une protection surcharge et un contacteur - Protéger le personnel et l installation quels que soient les niveaux de courant de surcharge ou de court-circuit - Réduire les coûts de maintenance en minimisant le temps de remplacement d un appareillage En cas de court-circuit, gros risques pour l opérateur, le personnel et l installation (feu, explosion). Tous les composants du départ-moteur devront être remplacés avant de redémarrer l installation L ensemble démarreur-moteur doit interrompre en toute sécurité le courant de court-circuit indiqué. Le contacteur et/ou le relais peuvent être détruits et doivent être changés avant la remise en service. L ensemble démarreur-moteur doit interrompre en toute sécurité le courant de court-circuit indiqué. Après une coupure sur court-circuit, il doit pouvoir être remis en service après vérification, sans qu un remplacement de pièces soit nécessaire (le risque des contacts soudés est accepté, ceux-ci doivent pouvoir être séparés facilement à l aide d un outil type tournevis). En cas de court-circuit, aucun dommage ne doit être causé au départ moteur, aucune soudure de contact n est admise, l isolement électrique doit être maintenu. Pas d inspection, le redémarrage est immédiat teur et le relais thermique associés.a l autre extrême, avec la coordination de type 1, ceux-ci peuvent être endommagés, voire détruits. Pour les fortes puissances, on n a pas d autre solution car il n existe pas toujours dans les catalogues des contacteurs capables de supporter les courants de courtcircuit. Dans d autres cas où la coordination totale est possible, certains font le pari que les courts-circuits sont rares et ils évitent de surdimensionner leur départ-moteur (d où une économie). Et si par malheur un courtcircuit survient, ils acceptent de changer l élément endommagé. «En fait,beaucoup d utilisateurs ne se posent pas tant de questions,il y a encore beaucoup d ignorance.beaucoup ont du mal à se convaincre du bienfondé des coordinations proposées par les constructeurs», observe M. Domange (Moeller). «Peu de gens s intéressent à la coordination.pourtant,si on ne respecte pas les associations entre disjoncteur et contacteur, tout peut arriver. Et surtout le pire!», surenchérit M. Maigret (Siemens). Jean-François Peyrucat Cet article a été réalisé à partir des informations que nous ont fournies les principaux acteurs du domaine. Nous nous sommes plus particulièrement appuyés sur un guide technique édité par Schneider Electric, particulièrement didactique, d où sont extraits tous les tableaux. 53

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