TREINAMENTO DE
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
INFORMAÇÕES SOBRE INSTALAÇÕES
ELÉTRICAS E DE ATERRAMENTO
EM
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
CONVERSORES DE CORRENTE CONTÍNUA
Miguel Venitelli
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Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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INVERSORES DE FREQUÊNCIA
INFORMAÇÕES SOBRE INSTALAÇÕES
ELÉTRICAS E DE ATERRAMENTO
EM
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
CONVERSORES DE CORRENTE CONTÍNUA
Miguel Venitelli
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Aterramento e cabeamento para sistema de inversores
de freqüência
Capítulo 1 - Introdução
A FINALIDADE DESTE MANUAL
Este manual descreve os princípios para cabeamento e aterramento para instalação de inversores de freqüência. O sistema é composto de; Transformador, cabos principais, inversor de frequência , cabos do motor e motor. Este manual atende as diretrizes de instalação de drives AC e DC, e é dirigido às pessoas envolvidas na instalação do conjunto. Quando os princípios dados neste manual são seguidos a instalação cumpre as exigências de segurança pessoal, da compatibilidade eletromagnética (EMC) e da disponibilidade a respeito de aterramento e de cabeamento. Os regulamentos locais de segurança devem ser seguidos. As instruções específicas do produto estão em seus respectivos manuais.
Uma breve descrição de fenômenos de interferência e as referências sobre literatura está no fim deste manual.
Objetivo do aterramento
O Aterramento tradicional é baseado na segurança elétrica. A segurança pessoal em todas as circunstâncias e danos materiais dos limites devido às falhas elétricas. Para operação livre de interferência e a durabilidade dos inversores de freqüência, os métodos mais profundos são necessários: aterramento equipotencializado em todo o prédio, no painel onde estão os equipamentos e nos níveis da placa de circuito.
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Configuração recomendada para as hastes e as redes de aterramento. 1 È necessário o aterramento da potência e dos sinais de comunicação. 2 Sólo. 3 Múltiplas hastes ligadas à terra.
Nos prédios que não tem malha de aterramento, um sistema radial de condutor é usado para igualar o potencial. Esta é a prática em muitos edifícios velhos. O barramento PE dos painéis deverá estar conectado ao aterramento da fábrica somente em um ponto se o sistema à terra das hastes for de única haste e não malha estruturada (figura 1-2).
Figura 1-2 Aterramento feito com uma única haste.
Capítulo 2 – Aterramento dos módulos dos inversores
de freqüência
Geral
Quando os inversores de freqüência são montados em painel, todos os módulos devem ser aterrados para segurança pessoal para impedir tensões perigosas sob todas as circunstâncias. A conexão à terra através dos parafusos e do chassi do painel não é confiável. Assegurar a continuidade dos módulos conectando ao barramento PE (Terra) do painel por um cabo de cobre. A bitola dos cabos terra devem ser de acordo com regulamentos locais. É recomendado um aterramento de alta freqüência e baixa impedância do ponto de vista da EMC (0.1 Ω, 25 A). O melhor resultado é conseguido com uma malha de cobre.
Capítulo 3 – Cabeamento de inversor de freqüência
Geral
As dimensões dos cabos são calculadas caso-a-caso de acordo com os regulamentos locais a respeito da proteção de curto-circuito, da tensão de operação, da tensão permissível do toque que aparecem sob condições de falha e da capacidade de carga do cabo. Além, o tipo do cabo deve suportar a proteção de EMC e a disponibilidade do equipamento instalado. Este manual descreve exemplos de práticas de cabeamento e aterramento apropriados. É necessário seguir estas instruções ao selecionar cabos e ao executar o aterramento do sistema.
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Fontes
Transformador
Um transformador VSD-dedicado com o protetor de estática entre o primário e secundário é recomendado.
Secundário aterrado (TN, TN-S) Se o inversor de freqüência não tem filtro na entrada, a impedância do aterramento do secundário do transformador deve ser especialmente baixa: ao menos dois cabos de 50mm separados. A distância entre os cabos deve ser ao menos 150 milímetros. Se os desenhos específicos da instalação especificarem bitolas maiores para o aterramento, aqueles devem ser seguidos. O comprimento do condutor de aterramento deve ser tão curto quanto possível.
Secundário flutuante (IT) O filtro de entrada do inversor de freqüência não pode ser usado devido às exigências de segurança específicas deste tipo de rede. A impedância dos circuitos principais é dado pelo tamanho e pela construção da rede de alimentação.
Cabeamento
Fonte de alimentação de corrente baixa.
- Se a corrente é abaixo de < 300 A quando um só cabo por fase é suficiente, é recomendado um multicabos (3F+T) simétrico blindado. A blindagem é conectada ao PE em ambas as extremidades. Quando o inversor de frequência incorpora um filtro na entrada, também um cabo sem blindagem pode ser usado.
Figura 3 - 1. Fonte de alimentação de corrente baixa com cabo.
A reatância de um cabo multicabos (3F+T)é baixa permitindo uma cabeamento mais longe da fonte. Com multicabos paralelos, também são possíveis com correntes elevadas.
Fonte de alimentação de corrente alta. Numa fonte de corrente elevada (>300A) o inversor de freqüência pode ser conectado através de um barramento ou um sistema de cabos.
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Quando é utilizado um cabo singelo equipado com proteção metálica concêntrica (armadura), a tensão e a corrente induzida fica na proteção e se esta for aterrada em ambos os lados a corrente fluirá pela proteção metálica do cabo. A fim de eliminar esta corrente e assegurar a segurança pessoal, o protetor do cabo deve ser conectado ao PE somente no alimentador e deve ser isolado no lado do inversor de freqüência. (figura 3 – 5)
Figura 3 - 5. Conexão com cabo singelo e proteção metálica.
Cabos do motor em inversores de frequência
Para estar compatível com as exigências da EMC e sem problemas, somente os cabos protegidos, simétricos, multicabos deverão ser usados. Algumas exceções a esta régra podem ser encontradas nos manuais de cada produto.
Para ser eficaz em alta freqüência, a condutividade do protetor deverá ser ao menos 1/10 da condutividade do condutor da fase. A única via de avaliar a eficácia do protetor é a indutância do protetor, que deve ser baixa e somente ligeiramente dependente da freqüência. Estas exigências são fácilmente atendidas com um protetor de cobre ou alumínio. A seção transversal de um protetor de aço tem que ser ampla e helicoidal de baixo gradiente. Se galvanizado aumentará a condutividade de alta freqüência.
Conectando o protetor de alumínio ou de cobre em ambas as extremidades ao PE. A ligação a 360° do protetor utilizará a potencialidade total de alta freqüência para compatibilizar as régras da EMC e evitar possíveis problemas. Para operar-se como um condutor protetor, a condutividade do protetor deve ser ao menos 50% do cabo de fase.
A primeira alternativa é um multicabo de três vias equipado com protetor de cobre concêntrico. Assim os cabos das fases estarão com uma distância igual ao do protetor, e o protetor é usado como um condutor de terra. A bitola deve ser suficiente de acordo com regulamentos de segurança. (figura 3-6 A).
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Figura 3 - 6. Conexão aprovada para os cabos do motor.
Um tipo igualmente apropriado de cabo, 3+3+Cu/Al - o protetor + armação tem três condutores simétricos para aterrar. O protetor de alumínio deste tipo de cabo é geralmente uma armação ondulada e contínua. O protetor é conectado à barra PE no lado do inversor de freqüência e ao PE-terminal no lado do motor. ( Figura 3-6. B).
O terceiro tipo de protetor é o de aço galvanizado. O protetor é conectado ao PE em ambas as extremidades. Entretanto, um condutor separado do PE de elevada condutividade é necessário a menos que a bitola do cobre incorporado for suficiente, conforme fazem alguns fabricantes. (Figura 3-6. C).
O comprimento da parte não protegida do cabo deve ser tão curto quanto possível no lado do inversor de freqüência e na caixa de junção do motor como especificado na documentação do inversor de frequência e do motor.
Disponibilidade
O risco de corrente no rolamento depende das tensões que passam através dos rolamentos do motor. Três tipos básicos de tensões podem ser identificados nas aplicações de inversores de frequência, mensuráveis como a extremidade do eixo para a tensão final, tensão do eixo para terra ou a tensão da carcaça do motor para terra.
Nos motores de potência média e alta, um cabeamento impróprio do motor aumenta fortemente estas tensões, assim reduzindo a vida do motor / caixa de engrenagens / rolamentos da máquina. Por outro lado um cabeamento e terminação a 360° apropriadas do protetor de cabo em ambas as extremidades reduzem eficazmente estas tensões. Os de cabos simétricos, protegidos reduzem a tensão na carcaça do motor, este efeito é mais significativo com alta corrente do motor. Assim os cabos não simétricos podem ser usados até o de 10 mm2 e motor de até 30 quilowatts de potência, mas o cabo protegido é recomendado sempre. O cabo protegido é comum nesta faixa de potência.
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Figura 3-8a.
Os motores grandes podem ter os aterramentos adicionais fora da caixa de terminal. Conecte-os ao PE na carcaça do motor (figura 3 - 8b) para assegurar a conexão apropriada entre a caixa de terminal e a carcaça.
Figura 3 - 8b. Equalização de potencial da carcaça do motor e da caixa de terminais de um motor grande.
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Conexões de cabos que devem ser evitadas Se à exceção do cabo recomendado são usados outros tipos, as seguintes régras devem ser seguidas. Depois destas régras não exclua os problemas causados devido a um cabeamento impróprio. Em cabos de quatro núcleos (um é terra), os três núcleos não estão a uma distância igual em relação ao terra. O cabo de terra não deve ser usado como um condutor protetor. O cabo de terra deverá ser conectado ao PE somente no lado do inversor de freqüência, e será isolado na extremidade do motor. Use um condutor protetor separado com metade da área de seção transversal pelo menos da bitola do condutor da fase. O cabo de potência e o condutor protetor serão colocados pelo menos 300 milímetros separado (não na mesma bandeja de cabo) a fim impedir correntes indutivas do distúrbio no condutor protetor (figura 3-9A). Este lay-out de disposição em alguns países viola os regulamentos. Neste caso use outro tipo de cabo.
Quando há um gradiente elevado na armação de aço do cabo, a potencialidade de alta freqüência da armação (proteção) é insuficiente. A proteção pode estar ao PE em ambas as extremidades se a condutividade for menos de 1/10, dos condutores da fase. Se a condutividade for menos de 1/10, deixe o lado do motor aberto. Não use cabo à terra interno não simétrico (No. 4) como um condutor protetor (figuras 3-9C de 3-9B). Aplica-se estas régras também nos cabeamentos com três núcleos.
Faça a conexão de equipotencialização entre a carcaça do motor e a máquina como indicado na figura 3-a.
Cabos de um só núcleo não são apropriados para ligação do motor!
Figura 3 - 9. Tipos de ligações do motor que devem ser evitadas.
Conversores de Corrente Contínua - DC-drives
As mesmas régras básicas que se aplicam aos motores de C.A.. O cabo de potência mais econômico tem um número uniforme de condutores. Também podem ser usados os cabos de três núcleos com protetor. Para os motores maiores, onde diversos cabos são necessários, compartilhar a potência do cabo de três núcleos que é baseado no princípio 2+1/1+2 (figura 3-10). O cabo do campo é uma forte fonte de interferência por causa da comutação abrupta. Conseqüentemente, use sempre um cabo protegido para o campo. Os cabos singelos são rejeitados para conversores C.C.. Os motores com enrolamento do estator em série devem ter a escova (terra) no eixo para evitar problemas nos rolamentos.
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Figura 3 - 12. Sistema PE uniforme
Problemas dos sistemas de conexão com aterramento não similar
A maioria das instalações existentes têm outros princípios de aterramento dos que são dados neste manual, especialmente a respeito da baixa freqüência EMC, simplesmente partindo de hastes introduzidas na terra. As novas instalações / ampliações, que empregam o sistema uniforme de PE, são geralmente as que têm de se adequar para operar junto com a instalação velha. Outros sistemas, executados com uma filosofia diferente, operam geralmente bem, e fazer qualquer questionamento de mudança está fora de cogitação. A não similaridade de instalação pode criar problemas, que têm que ser resolvidos caso a caso. As instalações físicamente grandes (dimensões, potência) necessitam normalmente algum tipo de adaptação. A adaptação é feita para obter a compatibilidade suficiente. Às vezes é razoável aceitar um nível mais baixo de imunição. Entretanto a exigência legal de emissão e da imunição deve ser cumprida. Os elementos geralmente de adequação entre os sistemas são transformadores isoladores, acopladores óticos, ligações de fibra ótica, isolação galvânica de sinais analógicos e módulos de filtros de interferência comuns, indutores. Todos estes métodos podem melhorar a transmissão do sinal. Os transformadores de isolação são usados para a fonte de alimentação. Este guia não contempla os detalhes de conexão, mas é importante estar ciente das áreas onde poderá haver problema de conexão antes da execução.
Cabos de controle protegidos com malha de cobre
É muito importante usar tipos corretos de cabo parra garantir a compatibilidade eletromagnética EMC. O tipo errado de cabo pode causar enormes problemas de interferência. Um cabo de controle protegido com certeza irá reduzir possíveis distúrbios. Use sempre o cabo protegido para os sinais de controle de baixa tensão para segurança (SELV).
Sinais analógicos e digitais I/O de baixa tensão (SELV) Utilizar cabo de sinal trançado com seu cabo de retorno, reduz os distúrbios causados pelo acoplamento indutivo. Os pares devem ser torcidos até perto dos terminais o máximo possível. Um cabo de par trançado e protegido com malha de cobre deverá ser usado para sinais analógicos. Empregue um par individualmente protegido para cada sinal. Não use o retorno comum para sinais analógicos diferentes (figura 3-13). Um cabo protegido é a melhor alternativa para sinais digitais de baixa tensão mas um multicabo de par torcido e protegido é possível também (figura 3-14).
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Nunca misture sinais de 24 VDC e 115 / 230 num mesmo cabo.
Comunicação Serial Há diversas alternativas dependendo do tipo de uma comunicação. Os sistemas de comunicação empregam cabos protegidos (figura 3-13) ou coaxiais em dobro em uma comunicação interna. Uma parte da comunicação serial é executada com cabos óticos (figura 3-17), (figura 3-18).
Um sistema de comunicação pode também ter sua própria especificação de cabo. Lembre-se que as comunicações seriais funcionarão corretamente somente com a correta terminação dos resistores. Veja instruções específicas do sistema.
Sinaisdigitais 115/230 VAC Um cabo protegido com isolação apropriada da tensão é a melhor alternativa mas um multicabo não protegido também pode ser usado. (Figura 3-15).
Figura 3 - 15. Um multicabo sem proteção
Conexão da proteção do cabo Conecte sempre os protetores dos cabos de controle ao terminal à terra no lado do inversor / conversor. A parte não protegida do cabo será minimizada. A conexão à terra do protetor será mantida tão curta quanto possível. O terminal à terra pode ser uma braçadeira especial, um parafuso separado marcado com o símbolo ou um borne. A marcação do terminal à terra pode ser PE, TE, terra ou os símbolos;
Fazer a conexão de aterramento do protetor em uma extremidade reduz o efeito supressor do campo eletromagnético ou do distúrbio indutivo. Aterrar o protetor do cabo de sinal em ambas as extremidades melhorará a supressão acima de alguma freqüência, mas aterrar em ambos os lados das extremidades fechando um laço à terra, e se as extremidades da malha do cabo estiverem em potenciais diferentes, como em uma situação de equipamento de potência elevada, no caso de um curto-circuito a corrente fluirá através da malha. Conseqüentemente, se o aterramento de HF for necessário, a outra extremidade seja aterrada através de um capacitor. Em algum equipamento o capacitor é incorporado. (Figura 3-16).
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Figura 3 - 18. Exemplo típico de sistema de aterramento em drive DC
Isolação Galvânica
A isolação Galvânica de sinais de controle melhora a imunidade de interferência e é recomendada especialmente em longas distâncias. A isolação impede a interferência causada pelo acoplamento comum de impedância (laço de terra) e suprime a interferência de acoplamento indutivo. Os sinais fracos são isolados e amplificados na fonte, os sinais normais também podem ser isolados na extremidade de recepção.
Rota de Cabos
Evite instalar paralelamente cabos de potência e de cabos de sinal. A distância entre o os cabos de controle e potência deve ser pelo menos de 300 milímetros. Quando os cabos de controle cruzarem cabos de potência, certifique-se que isto seja feito em um ângulo próximo a 90 graus. O bandejamento de cabos deve ter obrigatoriamente um bom aterramento em toda a sua extensão. Especialmente os sistemas de alumínio podem ser usados para melhorar a equipotencialização.
Indutor de modo comum
Nos casos particulares, devido a emissão de nível elevado, os indutores podem ser usados em cabos de sinal para evitar problemas entre sistemas diferentes. Os distúrbios poderiam ser suprimidos utilizando-se nos condutores de sinal um núcleo de ferrite como indutor (figura 3-19). Os aumentos da indutância no núcleo de Ferrite dos condutores e a indutância mútua, fazem com que os sinais de modo comuns de distúrbio acima de alguma freqüência sejam suprimidos. Um indutor comum ideal não suprime um sinal de modo diferencial.
Figura 3 - 19. Indutor de modo comum
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Capítulo 4 – Acoplamento de interferência, anexo
informativo
Impedância comum de acoplamento
A impedância comum de acoplamento aparece, se os circuitos da fonte da interferência tiverem um trajeto comum da corrente (figura 4-1). Geralmente esta impedância pode ser encontrada na fonte do circuito de aterramento ou de alimentação. As mudanças da corrente ficam interferindo no circuito causando mudanças potenciais na impedância comum: u = R * i - L * di/dt. O acoplamento através do laço à terra pode ser reduzido:
- O acoplamento de baixa frequência pode ser impedido utilizando um ponto de aterramento.
- Para a alta freqüência, é essencial manter a indutância tão baixa quanto possível. Para conseguir uma impedância baixa, a relação entre o comprimento e a largura devem ser menos de cinco. Na prática, esta régra é executada num aterramento multi-ponto.
Figura 4 - 1. Impedância comum de acoplamento
Acoplamento Capacitivo
O acoplamento capacitivo de distúrbio é gerado por uma mudança no campo elétrico. O acoplamento capacitivo aparece nos circuitos que têm a capacidade de dispersar uma com a outra. A corrente da interferência (I N) é proporcional à freqüência (f), ao nível de tensão (V1) do condutor com capacidade de interferir se dispersando entre os condutores (C 12).
(Figura 4-2)
O acoplamento capacitivo pode ser reduzido com:
- Reduzindo a capacidade dispersão entre os circuitos
- Reduzindo o nível de impedância do circuito vítima
- Limitando o nível da freqüência do circuito que está interferindo
- Limitando o nível de tensão do circuito que está interferindo.
A capacidade de dispersão pode ser reduzida com:
- Usando invólucros de metal para dispositivos
- Usando condutores protegidos
- Aumentando a distância entre os condutores
- Usando um anel entre condutores do terra.
Figura 4 - 2. Acoplamento Capacitivo
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Acoplamento Eletromagnético
A energia eletromagnética pode propagar livremente no espaço como um movimento de onda. Cada condutor carregado com uma corrente em circulação é uma antena potencial de transmissão de ondas eletromagnéticas. Reciprocamente, todos os condutores podem operar como uma antena receptora. Além disto, cada condutor, se faz parte do circuito ativo ou não, formará campos amplificando a operação da antena. Às vezes um cabo isolado pode comportar-se na mesma maneira. A eficiência da antena aumentará a alta freqüência tanto quanto as dimensões da antena excederem aproximadamente 1/100 do comprimento de onda. Conseqüentemente, o problema começa mais ou menos de 10 megahertz para frente devido à algum reforço da antena e por causa das dimensões próprias da eletrônica digital normal, sendo que estas operam naquelas velocidades. Também parte da interferência climática é de 10 a 100 megahertz, aplicando-se ao relâmpago a uma longa distância. Um relâmpago perto do equipamento eletrônico poderá danificar seu funcionamento.
O acoplamento diminuirá á medida que a distância aumenta.
Como se proteger das ondas eletromagnéticas ( EM )?
- Utilizando as malhas de aterramentos ou as estruturas devidamente aterradas e que devem estar interligadas.
- Protegendo os cabos com protetores eficientes e aterrando seu bandejamento e/ou eletroduto.
- Compartimento de metal para o equipamento, portas de fechamento e enclausuramento total.
- As aberturas do compartimento têm que ser pequenas (frestas – rasgos).
- Nenhuma estrutura involuntária de antena. Cuidado com cabos inutilizados, aterre-os.
- Aterrando sistematicamente em curtos intervalos, <1/10 do comprimento da onda, distribuído hastes ao longo do terra.
- Muita atenção ao aterramento de HF, isto é, fazer um aterramento capacitivo dos cabos coaxiais, por exemplo.
Devido à reciprocidade é que estas regras se aplicam à ambos os lados, à fonte e ao destino.
Termos dos protetores EMI
Interferência eletromagnética A proteção do cabo é uma parte de uma barreira eletromagnética separando os circuitos das fontes externas de IEM (ou confina os efeitos de IEM dentro da proteção). Uma barreira eletromagnética é uma superfície fechada composta das proteções e de outros elementos para excluir (ou para confinar) as ondas eletromagnéticas que propagam no espaço ou são conduzidas ao longo dos condutores. A barreira pode ser fabricada de metal ou matérias condutivas que revestem o equipamento, proteções de cabos interconectados, filtros ou pára- raios evitando picos de tensão que penetram nas proteções dos cabos, e malha ou guias da onda (abaixo da freqüência de interrupção) em aberturas da ventilação. Em um sistema de barreira bem protegido é suficientemente impermeável ás ondas, e as fontes de IEM que ficam fora da barreira não degradam o desempenho da proteção do sistema.
Armaduras de metal
A armadura (protetor) é uma capa de metal geralmente tecida com fio de cobre (malha), ou de fita adesiva espiralada ou de metal ondulado contínuo cobrindo a isolação de um cabo condutor elétrico e servindo tanto como uma proteção mecânica, como uma proteção de indução eletrostática ou eletromagnética. Saiba que às vezes um cabo pode conter um protetor eletromagnético e uma armadura separada para a proteção mecânica, mas ambos são interligados elétricamente.
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Disponibilidade
É a potencialidade de um dispositivo ou um sistema de estar disponível para ser usado na finalidade pretendida.
Literatura EMC
"Interference-free electronics" by Dr. Sten Benda. Ordering number ABB 3BSE 000877R0001, ISBN 91-44-3140-9, ISBN 0-86238-255-6.
Correntes nos rolamentos
“Bearing Currents in AC Drive” by FIDRI and FIMOT. Set of overheads in LN database “FIDRI Document Directory” on ABB_FI01_SPK04/FI01/ABB
“A New Reason for Bearing Current Damage in Variable Speed AC Drives” by J. Ollila, T. Hammar, J. Iisakkala, H. Tuusa. EPE 97. The European Conference on Power Electronics and Applications 8 – September 1997 Trondheim, Norway pp. 2.539 to 2.542.
“On the Bearing Currents in Medium Power Variable Speed AC Drives” by J. Ollila, T. Hammar, J. Iisakkala, H. Tuusa. Proceedings of the IEEE IEDMC in Milwaukee, May 1997.
ESTA LITERATURA SERVIRÁ COMO BASE DE CONHECIMENTO EM INSTALAÇÕES E
ATERRAMENTO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA E CONVERSORES DE CORRENTE
CONTÍNUA.
RECOMENDA-SE SEMPRE LER O MANUAL DE INSTALAÇÃO DO DRIVE A SER
INSTALADO.
MULTI DRIVE Comercio Eletroeletrônico Ltda. Rua Ivo Naufal Gantus, 65 – Jd. Manchester 13178-463 – SUMARÉ - SP FONES: 19 3832.8315 - 24HS 19 9771. www.multidrive.com.br - [email protected]