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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Eingangsstromes eines aus dem einphasigen Wechseistromnetz gespeisten Vierquadranten-Netzstromrichters eines Spannungszwischen- kreisumrichters.
Bei einphasig aus dem Wechselstromnetz gespeisten Vierquadrantenantrieben, wie sie beispielsweise bei elektrischen Triebfahrzeugen zum Einsatz kommen, werden als Einspeisestromrichter sogenannte Vierquadrantenstromrichter (4QS) eingesetzt. Durch eine geeignete Regelung ist der 4QS so anzusteuern, dass die Spannung im Zwischenkreis konstant gehalten und der Strom im Netz (iN) möglichst gut an die ideale Sinusform angenähert wird. Zur Ansteuerung des 4QS werden bevorzugt Putsmusterverfahren eingesetzt, da sie eine gezielte Einflussnahme auf das Störstromspektrum ermöglichen. Das Pulsmuster wird meist mit der Dreieckmodulation eingestellt.
Derartiges ist aus der Dissertation von A. Trenner, "Optimierung der Spannungspulsmuster und SensitlvitÅatsüberlegungen bei hochdynamischen Antrieben mit Asynchronmaschinen", Technische Unlversitéít Wien, 1991 bekannt.
Bei den aus der Literatur bekannten Verfahren zur Regelung des Stellerstromes wird die Stellerspannung basierend auf einem Transformator-Modell aus dem Sollstromverlauf berechnet, d. h der Strom wird überwiegend gesteuert. Mit einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) werden die Amplitude und Phase der Stromgrundschwingung gemessen und einem überlagerten Stromregelkreis zugeführt, weicher verbleibende Abweichungen ausregelt. Ein derartiges Verfahren wurde in der Dissertation von G Stanke, "Untersuchung von Modu) ationsvenähren für Puts- stromrichter mit hohen dynamischen Anforderungen bei beschränkter Schaltfrequenz", Technische Hochschule Aachen, 1987 untersucht.
Da nur die Grundschwingung des Stromes von der Regelung berücksichtigt wird, können sich bei stark verzerrter (von der Sinusform abweichender) Netzspannung niederfrequente Stromoberschwingungen frei ausbilden. Zudem ist die Dynamik der Stromregelung durch die im Zuge der DFT erforderliche Messzeit begrenzt.
Die EP 0 642 211 A2 zeigt einen gattungsgemässen, aus einem einphasigen Wechselstromnetz gespeisten Spannungszwischenkreisumrichter, wobei ein Regelkreis (ACRS) für den Eingangsstrom des Umrichters vorgesehen ist. Aufgabe der Erfindung aus der EP 0 642 211 A2 Ist die Unterdrückung der Welligkeit der Zwischenkreisspannung, welche durch den pulsierenden Leistungsfluss im einphasigen Wechselstromnetz hervorgerufen wird. Im Gegensatz dazu löst die vorliegende Erfindung die Aufgabe, den Netzstrom an die ideale Sinusform anzunähern. Es wird zwar auch in der EP 0 642 211 A2 erwähnt, dass normalerweise der Eingangsstrom auf eine Sinuswelle geregelt wird, es findet sich jedoch keine Beschreibung, wie dies erreicht wird.
Die US 5 041 959 zeigt einen Stromzwischenkreisumrichter, der aus dem dreiphasigen Wechseistromnetz sowie wechselweise aus einer Gleichstromquelle gespeist wird. Beim Strom-
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Erfindung als wesentlicher Unterschied dazu die Spannung im Zw ! schenkreis eingeprägt ist. Die in der US 5 041 959 angesprochene zweischleifige Regelung hat zum Ziel, einen mehrphasigen Stromzwischenkreisumrichter so zu betreiben, dass er aus Sicht des dreiphasigen Wechelstromnetzes die Charakteristik eines Spannungszwischenkreisumnchters hat. Die Regelung der vorlie- genden Erfindung ist hingegen auf die Einspeisung von Strom aus dem einphasigen Wechselstromnetz in einen Zwischenkreis mit konstanter Spannung ausgerichtet.
Die EP 0 410 463 A2 bezieht sich auf einen pulsweitenmodulierten Spannungszwischenkreisumrichter zur Speisung eines Drehstrommotors aus dem dreiphasigen Wechselstromnetz. Die Erfindung befasst sich in mehreren Varianten mit der Berechnung der vom Motor aufgenommenen Leistung aus den elektnschen Ein-und/oder Ausgangsgrössen des Maschinenstromrichters. Durch Aufschaltung dieses Leistungswertes auf die Zwischenkreisspannungsregelung des Netzstromrichters werden die dynamischen Eigenschaften des Umrichtersystems verbessert.
Der Gegenstand der EP 0 410463 A2 liefert jedoch keinen Hinweis auf die erfindungsgemässe Lösung
Auch die EP 0 417 805 A 1 befasst sich mit der Verbesserung der Regeldynamik eines aus dem dreiphasigen Wechselstromnetz gespeisten Spannungszwischenkreisumrichters durch Aufschaltung der von der Last aufgenommen Leistung auf die Regelung des Netzstromrichters. Eine Regelung des Eingangsstromes eines einphasigen Vierquadranten-Netzstromrichters kann dieser Veröffentlichung ebenfalls nicht entnommen werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun dann, ein neues Verfahren zur Regelung des Eingangsstromes eines Vlerquadranten-Netzstromrichters zu schaffen, bei dem der Netzstrom
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auch bei ungünstiger Netzspannungskurve bestmöglich an die ideale Smusform angenähert wird.
Zudem soll die Dynamik der Stromregelung gegenüber den eingangs angeführten Verfahren verbessert werden
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass In einem inneren Regelkreis ein hochdynamischer linearer Regler den Momentanwert des Stromes (io) regelt, und dass die Zeitzeiger der niederfrequenten Harmonischen des Stromistwertes gemessen werden, und dass in einem äusseren Regelkreis jede Harmonische durch einen Oberschwingungsregler, der eine Korrektur des Sollwertes des inneren Regelkreises vornimmt, selektiv beeinflusst wird. Das erfindungsgemässe Regelungsverfahren ist insbesondere auch für niederfrequent taktende GTO-Vierquadrantenstromrichter geeignet.
Weitere Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Strom wird durch den inneren Stromregelkreis stabilisiert, welcher direkt den Momentanwert des Stromes regelt und daher entsprechend hochdynamisch ausgelegt werden kann. Es kann ein konventioneller proportional (P-) oder proportional-integral (pal-) wirkender Regler, oder ein allgemeiner linearer Regler höherer Ordnung eingesetzt werden. Beim Inneren Stromregelkreis handelt es sich um einen linearen Regler, der aus dem Momentanwert der Regelabweichung die Stromrichterspannung berechnet, welche durch Pulsbreitenmodulation bei konstanter Schaltfrequenz eingestellt wird.
Dem inneren Stromregter ist ein langsam wirkender äusserer Regelkreis, die sogenannte Oberschwingungsregelung, überlagert, welcher selektiv einzelne niederfrequente Harmonische des Stromes beeinflusst. Der Stromistwert wird abgetastet und mit Hilfe einer diskreten Fourier-Transformation werden die Zeitzeiger der Grund- und Oberschwingungen des Stromes berechnet Für jede zu beeinflussende Harmonische wird ein eigener Oberschwingungsregier vorgesehen.
Für jede Harmonische wird je ein Integralregler (I-Regier) für den Realteil und je ein l-Regler für den imaginärteil des gemessenen Zeitzeigers implementiert. Am Eingang der l-Regler wird die Abweichung zwischen dem gemessenen Istwert und dem gewünschten Sollwert des Real- (bzw Imaginär-) teiles berechnet und aufintegriert. Im allgemeinen wird ein rein sinusförmiger Strom angestrebt, so dass die Sollwerte für sämtliche Oberschwingungen auf Null gesetzt werden. Die Ausgänge der l-Regler bilden den Real- und Imaginärteil eines Steitgrössenzeigers, der angibt, wie der Zeiger des Sollwertes des inneren Stromreglers zu ändern ist, um die Harmonische im Sinne einer Reduktion der Regelabweichung zu beeinflussen.
Die Regelkreise für Real- und Imaginärteil werden voneinander entkoppelt, indem der Steilgrössenzeiger von einem statischen Entkopplungsnetzwerk um jenen Winkel vorgedreht wird, um den der Stromistwert zufolge des Führungsfrequenzganges des linearen inneren Regelkreises gegenüber seinem Sollwert zeitlich nacheilt.
Der Gleichanteil des Stromistwertes wird auch durch gleitende Mittelwertbildung erfasst und einem Integralregler, dem Gleichstromregler, zugeführt. Der Ausgang dieses 1-Reglers wird als Gleichanteil auf den Sollwert des inneren Stromreglers derart aufgeschaltet, dass ein eventuell auftretender Gleichanteil im Stellerstrom unterdrückt wird.
Weiters wird für jede zu beeinflussende Harmonische aus dem gedrehten Stellgrossenzeiger durch inverse diskrete Fourier-Transformation ein Zeitsignal zur Korrektur des Sollwertes des inneren Stromregelkreises berechnet. Die Korrektursignale der einzelnen Harmonischen werden addiert und auf den vom Zwischenkreis-Spannungsregler vorgegebenen Stromsollwert des inneren Stromregelkreises aufgeschaltet. Die Oberschwingungsregler für die einzelnen Harmonischen und der Gleichstromregler sind somit untereinander parallelgeschaltet.
Von Vorteil ist, dass das Regelungsverfahren auf einem Signalprozessor realisiert ist.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt den Leistungskreis des Umrichters mit dem gerätetechnischen Blockschaltbild der Regelung des Netzstromrichters, in Fig. 2 ist die zweischleifig aufgebaute Kaskaden-Stromreglung detailliert dargestellt, Fig. 3 zeigt das Zeigerdiagramm für die k. Harmonische und Fig 4 zeigt ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild des geschlossenen Regelkreises für die k. Harmonische.
In Fig. 1 ist ein aus dem einphasigen Wechselstromnetz über einen Netztransformator 1 gespeister Spannungszwischenkreis-Umrichter dargestellt, der zur Drehzahlregelung einer
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Asynchronmaschine 2 eingesetzt wird. Der Umrichter besteht aus dem an den Sekundärwick- lungen des Netztransformators liegenden, mit vier abschaltbaren Schaltventilen (IGBTs oder GTOs) und vier Freilaufdioden aufgebauten, Vierquadrantenstromrichter (4QS) 3, dem Zwischenkreis 4 und dem Maschinenstromrichter 5.
Im Zwischenkreis sorgen der Zwischenkreiskondensator 6 und ein aus dem Kondensator 7 und der Drossel 8 aufgebauter Serienresonanzkreis, der sogenannte Saugkreis, für eine Entkopplung der beiden Stromrichter. Flg. 1 zeigt weiters das Blockschema der Regelung des Netzstromrichters, welche als mehrschleifige Kaskadenregelung aufgebaut ist. Der Regelung werden als Messgrössen die Netzspannung UN, der Stellerstrom i, stQ und die Zwischenkreisspannung Ud zugeführt. Die Istwerterfassung erfolgt mit einem integrativen Messverfahren, bei dem die Messgrössen über Spannungs-Frequenz-Umsetzter 9,10, 11 und nachgeschal- tete Zähler und Differenzenbiidner 12,13, 14,15 eingelesen werden.
Diese Art der Istwerterfassung hat den Vorteil, dass taktfrequente Störsignale bei geeigneter Wahl der Messzeiten in den Messsignalen vollständig unterdrückt werden Der Zwischenkreis-Spannungsregler 16 berechnet aus der Regelabweichung Uosorüdmess die erforderliche Wirkamplitude iWirk des Netzstroms. Aus dem Wirkstromsollwert und einem allenfalls vorzugebenden Blindstromsollwert iBhno wird in der Sollstromvorgabe 17 der zeitlich sinusförmige Stromsollwert (SILO für die unterlagerte Stromregelung berechnet.
Dazu werden die Sinus- und Kosinus-Referenzsignale sinref und cosref herangezogen, welche In der Netzspannungssynchronisation 18 berechnet und mit dem vom Zähler und Differenzenbildner 12 eingelesenen Netzspannungmesswert Unmess synchronisierten werden. Der Stromregelkreis ist seinerseits als zweischleifiger Regelkreis realisiert, wobei ein linearer Strom- regier 19 in der inneren Stromregelschleife aus dem Momentanwert der Regelabweichung isola- imessQ die Stellerspannung uo für den Vierquadrantenstromrichter berechnet. Der Pulsbreitenmodulator 20 stellt den geforderten Stellerspannungsmittelwert nach dem Unterschwingungsverfahren (Dreieckmodulation) bei konstanter Schaltfrequenz ein.
Die Abtastzeit TR, des inneren Stromregelkreises wird je nach verfügbarer Rechenleistung entweder gleich gross oder halb so gross wie die gewünschte Pu ! speriodendauer T s gewähtt. Der Istwert imessa des inneren Stromreglers wird vom Zähler und Differenzenbildner 14 eingelesen, wobei die Messzeit stets gleich der Pulsperioden- dauer 140S gewählt wird, um den taktfrequenten Stromrippel aus dem Messsignal herauszufiltern Der innere Regelkreis ist ebenso wie die Netzspannungssynchronisation 18 und der Zwischenkreis-Spannungsregler 16 nicht Gegenstand der Erfindung.
Im überlagerten Stromregelkreis wird der Strommesswert iosrMesso durch den Differenzenbildner 13 erfasst, wobei die Messzeit gleich der Abtastzeit Torr des überlagerten Stromregelkreises gewählt wird, welche stets als ganzzahliges Vielfaches der Pulsperiode 140S festgelegt wird. Mit der gleitend berechneten diskreten FourierTransformation 21 werden die Zeitzeiger 10srMesso, k von m niederfrequenten Harmonischen des Messsignals iosrMessQ berechnet. Für jede Harmonische k wird ein sogenannter Oberschwingungsregler (OSR) 22 vorgesehen, wobei die OSR verschiedener Harmonischer untereinander parallel geschaltet werden.
Für jede Harmonische k wird im zugehörigen OSR ein Zeiger josro. k berechnet,
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grössenzeigern iosro, kKorrektursignal iosrQ für den Sollwert des inneren Stromregelkreises berechnet und auf den Ausgang ! sol) o der Sollstromvorgabe 17 aufgeschaltet
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Die interne Struktur des Oberschwingungsregiers ist dem regelungstechnischen Blockschaltbild in Fig. 2 zu entnehmen. Der innere Stromregelkreis wird durch das lineare Übertragungsverhalten des Stromreglers 24 und der Strecke 25 (Transformator samt 4QS) und der Dynamik des mtegratlven Messgliedes bestimmt. Letzteres lässt sich regelungstechnisch durch einen kontinuierlichen Integrator 26 mit nachgeschaltetem diskreten Differenzierer 27 beschreiben.
Als massgebende Störgrösse wirkt im inneren Stromregelkreis die Netzspannung UN am Eingang der Strecke 25. Ihre Wirkung muss im allgemeinen durch eine Störgrössenaufschaltung im Regler 24 kompensiert werden. Der Stromregier 24 kann konventionell als P- oder PI-Regler, aber auch als allgemeiner linearer Regler höherer Ordnung ausgeführt werden. Für die Oberschwingungsregelung muss nur der Frequenzgang
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des Führungsübertragungsverhaltens des geschlossenen inneren Stromregelkreises bekannt sein.
Grundidee der OSR ist es, dem Sollstrom des inneren Regelkreises eine Harmonische derart zu überlagern, dass die entsprechende Spektrallinie des Iststromes gezielt beeinflusst wird. Dazu wird der über die Messzeit TDFT gemittelte, vom Differenzenbildner 28 berechnete Strommesswert osrMesso mittels gleitender diskreter Fourier-Transformation (DFT) 21 in seine spektralen Komponenten zerlegt. Für jede zu beeinflussende Harmonische wird die DFT rekursiv mit den Differenzengleichungen
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gleitend berechnet, wöbe ! a, o. k und b, Q, k der Real- und Imagmärtell des zu erfassenden Stromzeitzeigers losrMessQ,k=a,Q,k+j.biQ,k der k-ten Stromharmonischen ist. n Ist der laufende Index des aktuellen Abtastzeitpunktes und k ist die Ordnungszahl der Harmonischen.
N ist die Zahl der DFTAbtastschritte je Netzperiode, d. h. die Abtastzeit der DFT wird zu TDFT=TNetz/N gewahlt. Nach Shannon hat damit die höchste erfassbare Harmonische die Ordnungszahl kmax < N/2. N ist je nach verwendeter 4QS-Taktfrequenz so zu wäh) en, dass Torr ein ganzzahliges Vielfaches der Puls- periodendauer #rQS ist (TDFT/T4QS=0, ganzzahlig), damit der taktfrequente Stromrippel auch aus dem Messsignal iosrMessQ vollstandig herausgefiltert wird. Mit Rücksicht auf die erforderliche Rechenleistung ist 0 so zu wählen, dass die DFT nur mit etwa N=16 bis N=32 Punkten je Netzperiode berechnet wird.
Für jede vom OSR zu erfassende Harmonische werden zwei Integralregler vorgesehen, wobei einer die Abweichung des Real- 29 und einer jene des maginarteiles 30 von ihren Sollwerten aufintegriert. Im allgemeinen wird rein sinusförmiger Strom angestrebt, so dass die Sollwerte für alle
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Die m Stellgrössenzeiger werden im Entkopplungsnetzwerk 33 gedreht und durch inverse diskrete Fourier-Transformation 23 in Zeitsignale gewandelt, welche dem Sollwert des Inneren Stromreglers aufgeschaltet werden. Durch die Drehung des Stellgrössenzeigers wird sichergestellt, dass die Regelkreise für Real- und Imaginärteil voneinander entkoppelt bleiben. Der erforderliche Drehwinkei berechnet sich aus der Phasenverwerfung, den das Fuhrungsübertragungsverhalten des inneren Stromreglers verursacht. Ohne Drehung des Steiigrössenzeigers wären die Regelkreise miteinander verkoppelt, da das Führungsverhalten des inneren Regelkreises eine Phasenverschiebung zwischen Ist- und Sollstromzeiger verursacht. Dieser Sachverhalt ist in dem in Fig. 3 dargestellten Zeigerdiagramm für die k.
Harmonische im ausgeregelten (eingeschwungenen) Zustand zu
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der k. Harmonischen ausschliesslich durch den OSR geführt, wobei die k. Harmonische nuk der Netzspannung als Störsignal wirksam ist. Regt der OSR, wie in Fig. 3 gezeigt, z. B. mit einem rein imaginären Stellgrüssenzeiger iosro. k an, so stellt sich infolge der Phasenverwerfung durch den inneren Stromregelkreis ein Messwert losrMessQ. k mit Real-und Imaginärteil ein. Die Regelkreise für Realund Imaginärteil sind demnach stationär miteinander verkoppelt.
Der das Ausmass der Verkopplung bestimmende Winkel1 ; k zwischen dem Sollwertzeiger des inneren Stromreglers (=Stellgrössenzeiger des OSR) iosro. k und dem gemessenen Iststromzeiger iosrMessQ. k berechnet sich nach Fig. 3 zu
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wobei zu berücksichtigen ist, dass für die Phasenverwerfung des inneren Regelkreises arg (Fw) < 0
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gilt, d. h. der Iststrom eilt dem Sollstrom nach.
Die Phasenverschiebung zwischen dem tatsächlich fliessenden Strom (Zeiger i, sto. k) und den Messwerten des inneren (Zeiger lmesso, k) bzw. äusseren (Zeiger iosrMesso. k) Stromregetkreises kommt durch die Totzeit des Integrativen Messgliedes zustande Sie ist gleich der halben Messzeit, d. h. 0. 5*t4QS beim inneren Stromregelkreis und 0. 5*TDFr beim Oberschwingungsregelkreis.
Durch die im Regler vorgesehene Drehung
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wird die Phasenverwerfung des Führungsverhaltens kompensiert und die Regelkreise für Realund Imaginärteil einer Harmonischen werden entkoppelt. In Komponentenschreibweise lautet die im Entkopplungsnetzwerk 33 implementierte Drehbeziehung
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In Fig. 4 ist zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Entkopplungsnetzwerkes der Oberschwingungsregelkreis der k. Harmonischen als Zweigrössenregelung dargestellt. Dabei wird das Führungsübertragungsverhalten 34 des inneren Regelkreises als Drehstreckung des Steil-
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Der Stellgrenzeiger wird im Entkopplungsnetzwerk 33 nach Gl. (6) durch Drehung um den Winkel + aus der Ausgangsgrösse I*osrQ,k=a*osr,k+j.b*osr,k des Integralreglers 35 berechnet.
Die Dynamik der gleitenden diskreten Fourier-Transformation ist in Fig 4 durch zwei unverkoppelte Verzögerungsglieder 1. Ordnung 36 mit der Zeitkonstante #Netz/2 angenähert (PT1-Näherung).
Für k=0 entspricht die Gl. (3) einer gleitenden Mittelwertbildung über die Netzperiode. Der
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und seine Länge proportional zum Gleichanteil des Messsignals iosrMessQ wird. Der in Fig. 2 dargestellte Gleichstromregler 37, welcher als reiner Integralregler ausgeführt wird, korrigiert durch sein Stellsignat iosro. o den Gleichanteil im Sollwert des inneren Stromreglers. Dadurch wird verhindert, dass infolge einer mangelnden Stationärgenauigkett des inneren Stromregelkreises Gleichan- teile im Stellerstrom auftreten. Derartige Gleichstromanteile würden zu einer Vormagnetisierung des Transformators, und damit zu unerwünschten geradzahligen Oberschwingungen im primär- seit ! gen Magnetisierungsstrom des Transformators führen.
Das Korrektursignal iosrQ für den zeitlichen Sollstromverlauf des inneren Stromreglers setzt sich als Summe des Stelisignales iosro. o des Gleichstromreglers 37 und der durch inverse diskrete Fourier-Transformation 23 in den Zeitbereich rücktransformierten Stellsignale der Oberschwingungsregler zusammen :
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Die Sollstromberechnung erfolgt im gleichen Rechnertask in dem der innere Stromregier abgearbeitet wird. Dessen Abtastzeit (TRI) ist durch die verwendete 4QS-Taktperiodendauer festgelegt und im allgemeinen kleiner als die DFT-Abtastzeit (TDFT). Die beiden Abtastzeiten stehen, wie bereits erwähnt wurde, in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander.
Die Einstellung der Integrationszeitkonstanten (rosr, k) des OSR hat mit Rücksicht auf die Stabi- lität des Regelkreises zu erfolgen. Es zeigte sich, dass Tosr. k für alle k Oberschwingungsregter etwa 3 bis 4 mal grösser als die Netzperiodendauer (TNeh) einzustellen ist.
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