Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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1 Belo Horizote, MG, 20 a 24 de Setembro de 204 BANCADA DIDÁTICA DE CARGAS MECÂNICAS APLICADA EM MIT ACIONADO POR INVERSOR DE FREQUÊNCIA FELIPPE DOS S. E SILVA *, VANDEIR P. MARINS *, CÁSSIO A. DE OLIVEIRA *, ELVIS L. R. SILVA *, DARIZON A. DE ANDRADE *, LUCIANO C. GOMES *, AUGUSTO W. FLEURY *, KLEIBER D. RODRIGUES *. * Laboratório de Acioametos Elétricos, Faculdade de Egeharia Elétrica, Uiversidade Federal de Uberlâdia Av. João Naves de Ávila 22 - Campus Sata Môica - CX Uberlâdia - MG - CEP s: felippe26@gmail.com, vadeirmaris@yahoo.com.br, kass-07@hotmail.com, elvislrs@gmail.com, darizo.adrade@gmail.com, lcgomes2005@gmail.com, augustofleury@eletrica.ufu.br Abstract This paper presets the developmet of a learig platform for testig of rotatig electrical machies. The project cosists of the implemetatio ad istrumetatio of a mechaical bech for testig electrical machies with power of up to 5 hp. The developed platform allows user iteractio, gradual ad assisted i all stages, ie, from the choice of the electric machie to the experimetal verificatio of the dyamic behavior of the tested machie. With this stad it is possible to perform relevat tests to determie the performace of electric motors, such as measurig voltages ad stator currets, speed, torque ad power o to the motor shaft, beyod the curves of torque ad curret versus speed, power ad efficiecy versus applied load factor. Processig of iformatio obtaied (measures), uses a data acquisitio system cotrolled by a applicatio developed specifically for this work i graphical programmig "LabVIEW " laguage. The study was coducted i steps that were performed accordig to the followig descriptio: literature review study of NBR 5383-/2002, study ad simulatio of iductio motors, physical desig of the stad for testig, specificatio of sesors ad equipmet, assembly of stad testig ad implemetatio of the testig maager applicatio. Keywords Didactic tools, Test stad, Three Phase Iductio Motor. Resumo Neste trabalho apreseta-se o desevolvimeto de uma plataforma didática para esaios de máquias elétricas girates. O projeto cosiste a implemetação e automação de uma bacada mecâica para esaios de máquias elétricas com potêcia de até 5cv. A plataforma desevolvida permite uma iteração do usuário, gradual e assistida, em todos os estágios dos esaios, ou seja, desde a escolha do tipo da máquia elétrica até a verificação experimetal do comportameto diâmico da máquia esaiada. Com esta bacada é possível a realização de testes relevates para determiação de desempeho dos motores elétricos, como a medição de tesões e corretes de estator, velocidade, cojugado e potêcia o eixo da máquia esaiada, além da obteção das curvas de cojugado e correte versus velocidade, fator de potêcia e redimeto versus carga aplicada. Para acioameto e processameto de iformações obtidas (mesuradas), utiliza-se um sistema de aquisição de dados cotrolado por um aplicativo desevolvido especificamete para este trabalho a liguagem de programação gráfica LabVIEW. O trabalho foi desevolvido as seguites etapas: levatameto bibliográfico, estudo da Norma NBR 5383-/2002, estudo e simulação dos motores de idução trifásicos, projeto físico da bacada para esaios, especificação dos sesores e equipametos, motagem da bacada de esaios e implemetação do aplicativo gereciador dos esaios. Palavras-chave Ferrametas Didáticas, Bacada de Esaios, Motor de Idução Trifásico. Itrodução As máquias elétricas são elemetos fudametais a coversão eletromecâica de eergia, seja a geração elétrica (geradores) ou as aplicações em acioametos elétricos (motores), costituido-se assim em agetes causadores de desevolvimeto tecológico e propiciadores de coforto à sociedade. O motor de idução trifásico (MIT) apreseta-se atualmete como a melhor opção para acioametos cotrolados, pois possui vatages sobre o motor de correte cotíua, detre elas a iexistêcia do comutador (Castro, 204). Em aplicações destes tipos de máquias o setor idustrial brasileiro que cosome em cerca de 40% da eergia elétrica do país, 2/3 dessa eergia é utilizada em sistemas motrizes (Eletrobrás, 203). Assim, as ormas relativas à especificação e termiologia das máquias elétricas girates bem como a orma de esaio de MITs, são defiidas pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técicas) que publicou a orma NBR 5383-/2002, que especifica os esaios para determiação das características de desempeho destes motores de idução trifásico. A orma NBR 5383-/2002 estabelece esaios para motores acioados com tesões trifásicas seoidais, etretato a realidade do mercado exige que o seu acioameto, pricipalmete em velocidades variáveis, sejam realizados através de iversores de frequêcia. Neste caso, a alimetação do motor passa a ser ão seoidal através de modulação por largura de pulso (PWM). Com este ituito, os cursos de Egeharia Elétrica buscam aprimorar a formação dos estudates por itermédio de mudaças curriculares e motivação, empregado aplicações práticas que lhes permitam desevolver capacidade de medição e aálise de sistemas reais. Desta forma, foi elaborado o projeto de uma bacada de esaios de máquias elétricas que permite realizar uma série de testes a fim de se determiar os parâmetros mecâicos e elétricos das máquias esaiadas e verificar o seu comportameto diâmico quado alimetadas por fotes seoidais e ão seoidais. 2043

2 Belo Horizote, MG, 20 a 24 de Setembro de Descrição do Sistema A bacada possibilita a realização dos testes relevates para determiação do desempeho dos MITs. Desta forma, é possível realizar a medição da tesão e correte aplicadas as bobias do estator, velocidade e cojugado. Nela é permitido também a determiação da potêcia ativa de etrada, potêcia o eixo, obteção das curvas de cojugado sob diferetes codições de fucioameto e curvas do fator de potêcia e redimeto com a máquia sedo acioada em regime ão seoidal. A bacada de esaios de MITs é composta por elemetos idetificados a seguir: 2. A Base Estrutural Metálica e Proteção elétrica. A base estrutural metálica foi projetada para esaios de motores com potêcia de até 5cv com diversos tipos de carcaças, uma vez que ela permite o ajuste de posicioameto do motor sob teste de acordo com o seu tamaho. A base estrutural foi motada com chapas de aço carboo com espessura de /2 (meia polegada) de forma a reduzir a vibração do sistema quado em fucioameto. A bacada permite a coexão dos eixos das máquias com diferetes alturas por meio de uma plataforma móvel regulada ode a máquia sob teste está fixada. A estrutura possui uma base de borracha ajustável para um melhor alihameto com o piso, de for- Comuicação ModBus COMPUTADOR PESSOAL 0-0Vcc V/I motor PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS Velocidade RPM V/I Carga Resistiva SENSOR HALL TENSÃO E CORRENTE Torque V/I CONVERSOR DE FREQUÊNCIA V/I 440V V/I Trasformador :2 2kVA 220V - 3ϕ 220V - 3ϕ CONVERSOR CA-CC V/I CARGA RESISTIVA 3kW Figura. Diagrama de blocos do sistema da bacada de esaio de máquias elétricas. Base estrutural metálica; Placa de aquisição de dados; Coversor de frequêcia; Coversor CA-CC; Fotes de alimetação; Trasdutor de efeito Hall; Trasdutor de cojugado; Ecoder icremetal; Máquia de correte cotíua de 4,5cv; Motor de idução de 3cv; Microcomputador. A figura apreseta o diagrama fucioal dos elemetos citados que compõem a bacada de esaios de máquias elétricas. ma a compesar pequeos desíveis, assim a coexão dos eixos das máquias com o trasdutor de cojugado seja precisa. O projeto da bacada de testes foi desevolvido usado o software Cad SolidWorks, a figura 2 apreseta o deseho da bacada de testes. A mesma também possui dois botões de emergêcia que podem ser usados em uma evetual ecessidade desligado a bacada da rede elétrica istataeamete. Para a proteção foram istalados fusíveis ultrarrápidos e disjutores em série com os dos circuitos elétricos e eletrôicos, a fim de proporcioar uma proteção mais eficiete e cofiável. 2044

3 Belo Horizote, MG, 20 a 24 de Setembro de 204 Paiel de Comado Ecoder Máquia CC Trasdutor de Torque Máquia Sob Teste Plataforma Móvel Pés de Borracha Ajustáveis Estrutura Metálica Figura 2. Base estrutural da bacada em chapa de aço carboo /2 e posição das máquias elétricas. A disposição e as iformações o paiel frotal da bacada foram elaboradas de forma didática, ode o estudate poderá ecotrar com facilidade as iformações ecessárias o mometo dos testes e esaios. A figura 3 mostra o paiel frotal de comado da bacada. Comado Geral Botoeira de Emergêcia IHM velocidade, aceleração costate e ampla sob qualquer codição de carga, aceleração e/ou desaceleração cotrolada e cojugado costate com cotrole pela armadura (WEG ecatalog, 204). A figura 4 apreseta o diagrama esquemático de uma máquia de correte cotíua com excitação idepedete a máquia CC está operado como gerador com campo alimetado pelo coversor CA- CC alimetado a carga resistiva. V aj I a R a Ea L a J b T L f T L ω R f I f V f Figura 3. Paiel de comado frotal da bacada de esaios. 2.2 Gerador Correte Cotíua Com o avaço o campo da eletrôica em circuitos de grade potêcia, o cojuto coversor, comado e motor de correte cotíua mostra-se ecoomicamete viável. Os motores de correte cotíua oferecem uma ampla faixa de variação de velocidade sem prejuízos o desempeho da máquia acioada. Os acioametos de correte cotíua, compostos por coversores CA/CC e motor, possuem exceletes propriedades técicas de comado e regulação, garatido: regulagem precisa de Figura 4. Diagrama esquemático de um motor de correte cotíua com excitação idepedete. Para relacioar a correte I a com a tesão aplicada aos termiais da armadura V aj, a equação () é obtida. Va j ( s) k( s) Ia ( s) ( R sl ) 2.3 Motor de Idução Trifásico a a () O motor de idução trifásico (MIT) é utilizado para coverter eergia elétrica em eergia mecâica 2045

4 Belo Horizote, MG, 20 a 24 de Setembro de 204 motriz, ou seja, existe trasferêcia de potêcia através dessa máquia. O MIT é costituído substacialmete de uma parte fixa, à qual se dá o ome de estator, sedo este formado por chapas ferromagéticas, ode se ecotram três bobias eroladas, formado um circuito magético. No meio dessas bobias é posicioado o rotor, a parte móvel do MIT. De acordo com Fitzgerald, et al (2006) a relação etre a rotação, a frequêcia de alimetação, o úmero de pólos e o escorregameto de um motor de idução obedecem a equação (2): motores de baixa tesão as aplicações idustriais que requerem variação de velocidade. A figura 6 mostra o diagrama de blocos que compõe o cojuto coversor e motor de idução trifásico. Etrada Tesão e Freq. Fixas IRede CA Coversor Estático Idireto de Frequêcia CA Motor 3ϕ Saída Tesão e Freq. Variáveis VPWM 20 f ( s) p (2) VRede Imotor Figura 6. Diagrama de blocos do cojuto coversor e motor de idução trifásico. V ode: = velocidade rotação mecâica (RPM), f = frequêcia da rede elétrica, p = úmero de pólos e s = escorregameto. O cojugado desevolvido pelo motor de idução segue a equação (3): T k.. R jx R 2 Rm m I r jxm jx 2 ( s) R'2. s (3) ode: T = cojugado o eixo (N.m), ϕ m : fluxo de magetização (Wb), I r : correte circuito do rotor, k: costate que depede do material e do projeto da máquia. Os valores dos parâmetros do circuito elétrico equivalete do MIT podem ser determiados a partir dos esaios a vazio, de rotor bloqueado e das medições das resistêcias CC dos erolametos do estator. A figura 5 mostra o circuito equivalete moofásico para o motor de idução trifásico sob teste. O motor de idução, quado alimetado por um coversor de frequêcia PWM, tem seu redimeto dimiuído, em relação a um motor alimetado por tesão puramete seoidal, devido ao aumeto as perdas ocasioado pelas corretes harmôicas. Em aplicações de motores de idução de gaiola com coversores de frequêcia, porém, deve ser avaliado o redimeto do sistema (cojuto coversor + motor) e ão apeas do motor, (WEG Motores, 2006). 2.5 Sesores Uma placa codicioadora de siais foi costruída para adequar os siais de correte e tesão dos motores esaiados aos íveis omiais da placa de aquisição. A placa é composta por quatro sesores Hall de tesão modelo LV25P e quatro sesores Hall de correte modelo LA25P da fabricate LEM. Não foi utilizado um trasdutor de potêcia pelo fato de ser possível obter a potêcia elétrica o motor através de cálculos matemáticos aplicados aos valores istatâeos de correte e tesão obtidos por meio dos outros trasdutores hall. Com a placa codicioadora de siais, é possível a medição de tesões e corretes com terras isoladas eletricamete (LEM 2006). Figura 5. Circuito equivalete moofásico do motor idução. 2.4 Cojuto Coversor de Frequêcia e Motor de Idução Trifásico. A utilização de coversores estáticos de frequêcia atualmete compreede o método mais eficiete para cotrolar a velocidade dos motores de idução. Os coversores trasformam a tesão da rede, de amplitude e frequêcia costates, em uma tesão de amplitude e frequêcia variáveis. Variado-se a frequêcia da tesão de alimetação, varia-se também a velocidade do campo girate e cosequetemete a velocidade mecâica de rotação da máquia. Coversores estáticos idiretos de frequêcia com tesão imposta PWM são atualmete os equipametos mais empregados para a alimetação de 2.5. Trasdutores de Efeito Hall Os trasdutores utilizados covertem um sial aalógico a ser medido em um sial de tesão também aalógico de amplitude meor para que possa ser digitalizado pela placa de aquisição de dados. Seu pricípio de fucioameto está baseado o efeito Hall. Os valores de tesão e correte eficazes são calculados através da equação (4): A i 2 K a a i (4) Ode: = o úmero de amostras o itervalo de um período; a i = o valor istatâeo da tesão ou 2046

5 Belo Horizote, MG, 20 a 24 de Setembro de 204 correte, K a = fator de escala e A = valor eficaz de um período de um sial elétrico. A potêcia ativa de etrada do motor sob teste é obtida através do cálculo matemático da potêcia média, a partir dos valores de tesão e correte. Pode ser determiada pela equação (5): P Ativa i K v K i v i i i (5) Ode: v i = o valor istatâeo da tesão para amostragem i aplicada ao motor sob teste, i i = valor istatâeo da correte para amostragem i de etrada o motor sob teste, K v = fator de escala para a tesão, K i = fator de escala para a correte Trasdutor de Cojugado e Velocidade O trasdutor de cojugado utilizado é o modelo T22/50NM do fabricate HBM. Este trasdutor é capaz de medir cojugado diâmico e estático. Tem fudo de escala de até 50 N.m. O trasdutor ecessita de um codicioador de siais (coversor de frequêcia-tesão), que produz um sial de tesão CC de 0V a +0V proporcioal ao cojugado. A velocidade é medida utilizado um ecoder com resolução de 600 pulsos por volta. As equações para o cálculo de cojugado médio e da potêcia o eixo do motor são dadas pelas equações (6) e (7), respectivamete: P eixo T Médio i i K t t i ( K t ) ( K t i w w ) i (6) (7) Ode: t i é o valor istatâeo do cojugado para amostragem i, K t e K w são fatores de escala, w i é o valor da velocidade para amostragem i, = o úmero de amostras o itervalo de um período. 3 Resultados Experimetais A NBR5383- prescreve os seguites esaios para a determiação de características de desempeho e coformidade com a NBR 7094: a vazio, rotor bloqueado, térmico, de partida, dielétrico, sobre velocidade, ível de ruído, tesão o eixo e vibração. A tabela apreseta os dados que foram obtidos a partir do esaio a vazio, sedo que as corretes foram medidas o circuito do estator. Tesão (V) Tabela. Medições obtidas a partir do esaio a vazio. Potêcia (W) I I 2 I 3 RPM ,40 4,38 4, Outro esaio realizado é o esaio em rotor bloqueado. Segudo a Norma NBR 5383-, este esaio deve ser realizado para determiação da correte, cojugado e potêcia de etrada com rotor bloqueado. O esaio cosiste em bloquear mecaicamete o eixo do MIT. O motor de idução trifásico é alimetado com um valor de tesão suficiete para que se atija o valor de correte omial. A tabela 2 apreseta os dados do esaio de rotor bloqueado. Tabela 2. Medições obtidas do esaio com rotor bloqueado. Tesão (V) Potêcia (W) I I 2 I 3 I med 44,96 348,0 9,02 8,72 8,75 8,67 Vale ressaltar que os parâmetros do circuito equivalete do MIT são calculados por fase, de modo que as leituras de tesão e a média das corretes, bem como de potêcia, devem ser covertidas para valores de fase, de acordo com o tipo de cofiguração (estrela ou triâgulo) efetuada para a realização dos esaios. Na tabela 3 são apresetados os valores dos parâmetros do circuito equivalete do MIT em estudo, calculados a partir dos esaios efetuados. Tabela 3. Valores dos parâmetros do circuito equivalete do MIT. R(Ω) X(Ω) Rm(Ω) Xm(Ω) R 2(Ω) X 2(Ω) 2,86 3,84 066,5 8,66,77 3,84 Através dos parâmetros do circuito equivalete, é possível levatar por simulação computacioal as curvas características típicas do MIT. Algus tipos de cargas mecâicas foram simulados e detre elas foi escolhida a carga do tipo quadrática, que são cargas que variam com o quadrado da rotação e são ecotradas em aplicações como vetiladores, cetrífugas, exaustores (Neto 200). As curvas de cojugado desevolvido e cojugado de carga quadrática ambos em fução da velocidade são mostrados a figura 8. Cojugado (N.m) Curva de cojugado do MIT Curva de carga tipo quadrática Velocidade do Rotor (rpm) Figura 8 - Curva de carga quadrática comparada e curva do cojugado do motor de idução trifásico. 2047

6 Belo Horizote, MG, 20 a 24 de Setembro de 204 Para validar a eficiêcia da bacada de testes em máquias elétricas foi escolhido um MIT como sedo a máquia sob teste e a tabela 4 as especificações de placa desta máquia são mostradas: Tabela 4. Dados de placa do motor sob teste. kw Hz RPM V(V) I η% FP 2, ,8 8,9 0,84 ica é iserida em seu eixo por meio da máquia primária utilizado-se do cotrole de cojugado ode o tipo de carga é selecioado. Nesta aba observa-se que houve uma iserção de carga o eixo do MIT do tipo quadrática, assim o cotrole de cojugado da máquia primária foi icremetado e a carga resistiva coectada em série com a armadura e o coversor CA-CC passou a dissipar eergia térmica. Este cotrole de acioameto idepede das abas de visuali- Curva de tesão a carga Curva de correte a carga Figura 9. Primeira aba de cotrole e visualização dos dados obtidos o esaio. Para melhor visualização e aálise dos dados, foi criado uma iterface gráfica composta por duas tab cotrols (abas) ode os siais de tesão e correte trifásico o cojuto coversor e motor, tesão e correte a carga podem ser visualizadas a primeira aba. A Figura 9 mostra a istrumetação virtual implemetada, aqui podemos aalisar as formas de odas de tesões e corretes a etrada do iversor e a forma de oda de tesão e correte a carga. O cotrole do acioameto do MIT e o acioameto da máquia primária permite que o estudate faça os ajustes de forma sequecial. Primeiramete é feito o acioameto do MIT, ode o setido de rotação é defiido e velocidade é ajustada com valor iicial em 000RPM. Neste mometo uma carga mecâ- zação dos dados, permitido assim que a todo o mometo o estudate possa iferir o sistema idepedete da aba que está sedo visualizada. Na seguda aba são visualizadas as potêcias de etrada o cojuto coversor/motor, potêcia de saída o eixo do MIT, o gráfico do redimeto percetual do cojuto coversor/motor, a velocidade do eixo do MIT em rotações por miuto e os valores eficazes de tesão e corretes do sistema calculados de acordo com a equação (4). Na figura 0, a seguda aba é mostrada e ota-se que o mometo da iserção de carga o valor iicial do cojugado da máquia sob teste era de,39n.m ode este cojugado é o míimo valor para que o grupo se mativesse em movimeto a vazio. 2048

7 Belo Horizote, MG, 20 a 24 de Setembro de 204 Curva do Redimeto 73,8% Carga mecâica Quadrática 3,68N.m 40,34%,39N.m Figura 0. Seguda aba de cotrole e visualização dos dados obtidos o esaio. Assim que a carga foi icremetada de forma quadrática, o valor do cojugado aumetou para 3,68N.m operado a uma velocidade de 3354 RPM e esta mesma aba são verificadas os valores das potecias elétricas e mecâicas. A figura mostra a bacada de esaios de máquias elétricas desevolvida com os elemetos elétricos e eletrôicos já istalados. O valor registrado da eficiêcia do cojuto coversor/motor é de 73,8%, sedo que em codições omiais (dados de fabricate) o valor típico para esta máquia é de 8,9%. Esta difereça se deve ao fato do MIT estar operado alimetado por uma fote ão seoidal evideciado a queda do redimeto. Estes dados estão dispoíveis o paiel frotal da bacada que dispõe de um moitor de LCD coectado ao computador e também de uma iterface homem máquia (IHM) que permite o moitorameto dos parâmetros do iversor de frequêcia. Figura. Foto da bacada de esaios de máquias elétricas. 4 Coclusões O presete trabalho apresetou uma bacada didática de testes para motores de idução trifásicos de potêcia até 5cv. Com vistas à padroização dos testes os motores de idução trifásicos, procurou-se ter como orietação as recomedações da NBR 5383-, publicada pela Associação Brasileira de Normas Técicas. A implemetação da bacada didática possibilita além de realizar testes com motores elétricos de idução trifásicos, como também familiarizar-se com algumas das ferrametas computacioais utilizadas 2049

8 Belo Horizote, MG, 20 a 24 de Setembro de 204 a egeharia elétrica cotemporâea, sedo possível executar vários testes com modificações simples, pois a grade importâcia de se usar o LabView como ferrameta de istrumetação virtual é que possibilita a elimiação de muitos istrumetos de medidas, tais como: osciloscópios, multímetros, wattímetros, aalisadores de eergia, etc. E com isso uma redução de custos operacioais. Esta opção deve ser icetivada, a fim de ajudar a uma melhor compreesão das máquias elétricas e as técicas de medição. Esta bacada de testes proporcioa o trabalho em grupo, que é de suma importâcia, com uma qualidade desejável durate a realização de esaios, preparado os futuros egeheiros para trabalhos em equipe. A utilização da bacada pode potecializar o apredizado multidiscipliar do estudate, uma vez que leva em cota coteúdos de várias disciplias, como: Liguagem de Programação, Máquias Elétricas e Coversão de Eergia, Eletrôica Digital, Eletrôica Aalógica, Eletrôica de Potêcia e Istrumetação Idustrial. Agradecimetos Agradecemos a Fudação de Amparo a Pesquisa do estado de Mias Gerais FAPEMIG pelo fometo do projeto úmero: APQ , a CAPES pelo apoio idispesável e também a FEELT-UFU que viabilizou o projeto. Referêcias Bibliográficas ABNT NBR Máquias elétricas girates Parte : Motores de Idução Trifásicos Esaios. Associação Brasileira de Normas Técicas. Rio de Jaeiro, A. E. Fitzgerald, Charles Kigsley Jr., Stephe D. Umas, Máquias Elétricas. 6ª Edição. Bookma, São Paulo, Castro, A.C. Motor de Idução Trifásico. Apostila do curso de Eletrotécica, CEFET Bahia Eletrobrás - Programa Nacioal de Coservação de Eergia Elétrica, p?teamid={fbfb8d50-65b B0B27D7AD8} acesso: 9/2/203. LEM. Remote Cotrol Maual Wide-Bad Power Aalyzer orma 3000 / 4000/ 5000, versão Fevereiro de Natioal Istrumets Corporatio. LabVIEW User Maual. Natioal Istrumets Corp. Austi, Texas, 998. Neto, F. A. T. Geração de perfis de cargas idustriais mediate o cotrole PWM da tesão de campo do gerador de correte cotíua. Uiversidade de São Paulo, 200. WEG Motores. Motores de idução alimetados por coversores de frequêcia PWM. Jaraguá do Sul, Sata Cataria, WEG Motores. Motores de Correte Cotíua. motores-de-correte-cotiua catalogo-portugues-br.pdf. Acesso: 9/0/