DE102005025422A1 - Dreipunkt-Umrichter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Dreipunkt-Umrichter mit einem wenigstens zwei Teilstromrichter (50, 52) aufweisenden mehrpulsigen Einspeisestromrichter (48), einen maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichter (54) und einen Stromrichter-Transformator (22) mit wenigstens zwei Sekundärwicklungen (18, 20), wobei jeder Teilstromrichter (50, 52) wechselspannungsseitig mit einer Sekundärwicklung (18, 20) des Stromrichter-Transformators (22) und gleichspannungsseitig mit zwei gleichspannungsseitigen Anschlüssen (56, 58; 58, 60) elektrisch leitend verbunden ist. Erfindungsgemäß sind diese Teilstromrichter (50, 52) gleichspannungsseitig elektrisch in Reihe geschaltet, und wobei jeder Teilstromrichter (50, 52) ein grundfrequent getakteter Stromrichter ist. Somit erhält man einen Dreipunkt-Umrichter, der die Vorteile eines Dioden Front End mit einem Fundamental Frequency Front End kombiniert.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Dreipunkt-Umrichter mit einem wenigstens zwei Teilstromrichter aufweisenden mehrpulsigen Einspeisestromrichter, einem maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichter und einem Stromrichter-Transformator mit wenigstens zwei Sekundärwicklungen, wobei jeder Teilstromrichter wechselspannungsseitig mit einer Sekundärwicklung des Stromrichter-Transformators elektrisch leitend verbunden ist.
- Aus der DE-Zeitschrift "etz", Heft 20, 1998, Seite 10 bis 12, ist ein luftgekühlter Mittelspannungs-Umrichter bekannt. Dieser Mittelspannungs-Umrichter, der ein Spannungszwischenkreis-Umrichter ist, weist in der Standardausrüstung einen 12-pulsigen Diodengleichrichter auf, deren Teildiodengleichrichter wechselspannungsseitig jeweils mit einer Sekundärwicklung eines Dreiwicklungstransformators elektrisch leitend verbunden sind. Gleichspannungsseitig sind die Teildiodengleichrichter jeweils mit einem Kondensator eines Spannungszwischenkreises verknüpft, der zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist. Ein derartiger Eingangsstromrichter wird auch als Dioden Front End (DFE) bezeichnet. Ein derartiges Dioden Front End erfüllt in den meisten Fällen die Anforderungen bezüglich Netzleistungsfaktor und Oberschwingungsgehalt. Werden höhere Anforderungen bezüglich Netzrückwirkungen gestellt, so steht ein 24-pulsiger Eingangs-Stromrichter zur Verfügung.
- Aus der DE-Zeitschrift "enginierung and automation", Heft 1-2, 1998, Seiten 8 und 9, ist ein Spannungszwischenkreis-Umrichter bekannt, der als Eingangsstromrichter einen selbstgeführten Pulsstromrichter aufweist. Dieser ist wie der maschinenseitige Pulsstromrichter als Dreipunkt-Pulsstromrichter ausgeführt. Als Spannungszwischenkreis sind zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren vorgesehen. Diese Schaltungsoption des Eingangsstromrichters wird auch als Active Front End (AFE) bezeichnet. Mit einem Active Front End ist ein Vierquadrantenbetrieb (Antreiben und regeneratives Bremsen in beiden Drehrichtungen) möglich. Mittels dieses aktiven Eingangs-Stromrichters lässt sich nicht nur ein Leistungsfaktor von cosφ = 1 realisieren, sondern man kann zusätzlich im Rahmen der Leistungsreserven auch noch die Bildleistung anderer Verbraucher im Netz kompensieren. Wird das Active Front End mit einem Eingangsfilter ausgerüstet, ist darüber hinaus ein fast oberschwingungsfreier Betrieb am Netz möglich.
- Der Nachteil eines Dioden Front End ist dieser, dass kein Vierquadrantenbetrieb ohne weiteren Aufwand möglich ist. Der Mehraufwand besteht darin, dass für den generatorischen Betrieb ein Brems-Chopper notwendig ist, mit dem die generatorische Energie in einem Bremswiderstand in Wärme umgesetzt wird. Durch die 12-Pulsigkeit bzw. 24-Pulsigkeit des Dioden Front End werden die Oberschwingungsströme der 11. und 13. bzw. der 23. und 25. Oberwelle ausgelöscht. Bei der 24-pulsigen Ausführungsform des Dioden Front End verdoppelt sich der Aufwand eingangsseitig gegenüber der 12-pulsigen Ausführungsform des Dioden Front End, wodurch nicht nur der Platzbedarf steigt.
- Der Nachteil eines Active Front End ist dieser, dass entsprechend seiner Schaltfrequenz die 5., 7., 11., 13., ... Oberwellen auftreten, deren Amplituden mittels eines optimierten Pulsmusters wenigstens minimiert werden können. Außerdem ist das Active Front End auf Grund der Anzahl und der Ausführungsform der Bauelemente aufwendiger als ein Dioden Frond End. Da das Active Front End vom Aufbau her den maschinenseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter entspricht, weist ein Spannungszwischenkreis-Umrichter mit Active Front End einen größeren Platzbedarf auf als ein Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einem 12-pulsigen Dioden Front End.
- Aus der Veröffentlichung "Fundamental Frequency Front End Converter (F3E) – a DC-link drive converter without electro lytic capacitor" von Kurt Göpfrich, Dr. Carsten Rebbereh und Dr. Lothar Sack, PCIM 2003, Nürnberg, Mai 2003, ist ein Antriebsumrichter bekannt, der netzseitig einen ungesteuerten Gleichrichter und lastseitig einen selbslgeführten Pulsstromrichter aufweist. Beide Stromrichter sind gleichspannungsseitig direkt elektrisch parallel geschaltet. D.h., im so genannten Gleichspannungszwischenkreis ist weder ein Zwischenkreiskondensator noch eine Zwischenkreisdrossel angeordnet. Jeder Diode des netzseitigen Gleichrichters ist ein elektronisch steuerbarer Schalter, insbesondere ein Insulated-Gate-Bipolare-Transistor (IGBT), elektrisch parallel geschaltet. Zwischen den Netzanschlüssen und den Eingangs-Anschlüssen des netzseitigen Stromrichters ist eine Kondensatoranordnung angeordnet. Die Kondensatoren dieser Kondensatoranordnung sind in Dreieck oder in Stern geschaltet. In den Netzzuleitungen zu diesem netzseitigen Gleichrichter kann jeweils eine Drossel geschaltet sein. Für die Generierung von Steuersignalen für diese elektronisch steuerbaren Schalter ist eine Komperatorschaltung vorgesehen, die eingangsseitig mit dem speisenden Netz verknüpft ist. Diese Komperatorschaltung und deren Funktion ist in der
DE 199 13 634 A1 ausführlich behandelt, so dass an dieser Stelle auf eine nähere Erläuterung verzichtet wird. - Die abschaltbaren Halbleiterschalter des netzgeführten Stromrichters des Antriebsumrichters gemäß der PCIM Veröffentlichung werden derart gesteuert, dass diese jeweils während der Stromführungszeiten, die durch die natürlichen Kommutierungszeitpunkte bestimmt sind, seiner elektrisch antiparallel geschaltete Diode leitend geschaltet sind. Somit ist dieser Stromrichter grundfrequent gesteuert. Da durch diese grundfrequente Taktung der abschaltbaren Halbleiterschalter jeweils während der Stromführungszeiten einer Diode ein zweiter Strompfad angeboten wird, ist dieser grundfrequent gesteuerte Stromrichter rückspeisefähig. Gegenüber der Regelung einer selbstgeführten, gepulsten Einspeise-Rückspeise-Einheit (AFE) vereinfacht sich das Pulsmuster auf diese natürlichen Kommutierungszeitpunkte eines ungesteuerten dreiphasigen Strom richters. Außerdem wird keine Einrichtung benötigt, mit der erkannt werden muss, welche Energieflussrichtung vorliegt und die auf Grund dieses Ergebnisses die abschaltbaren Halbleiterschalter ansteuert.
- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Realisierung eines rückspeisefähigen Umrichters in Dreipunkttechnik anzugeben.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Dadurch, dass die Teilstromrichter eines mehrpulsigen Einspeisestromrichters eines Dreipunkt-Umrichters jeweils ein grundfrequent getakteter Stromrichter ist, wird eine einfache und kostengünstige Realisierung der Rückspeisefähigkeit eines Dreipunkt-Umrichters erreicht. Durch die Verwendung von grundfrequent getakteten Stromrichtern jeweils als Teilstromrichter eines mehrpulsigen Einspeisestromrichters des Dreipunkt-Umrichters wird kein Spannungszwischenkreis mit einer Kondensatoranordnung wie bei einem diodengespeisten Dreipunkt-Umrichter mehr benötigt. Durch dieses erfindungsgemäße Ausgestaltung des mehrpulsigen Einspeisestromrichters des Dreipunkt-Umrichters werden die Vorteile eines Dioden Front End mit denen eines Active Front End kombiniert.
- Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dreipunkt-Umrichters schematisch veranschaulicht ist.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten Dreipunkt-Umrichters mit einem Dioden Front End, wobei in der -
2 ein Blockschaltbild eines bekannten Dreipunkt-Umrichters mit einem Active Front End dargestellt ist, die -
3 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten Spannungszwischenkreis-Umrichters mit grundfrequent getakteten Einspeise-Stromrichter, in der -
4 sind in einem Diagramm über der Zeit t die Netzspannungen eines speisenden Netzes und einer erzeugten gleichgerichteten Gleichspannung dargestellt, und die -
5 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreipunkt-Umrichters. - Gemäß der
1 weist der bekannte Dreipunkt-Umrichter einen 12-pulsigen Eingangs-Stromrichter2 auf, dessen beiden Teilstromrichter4 und6 jeweils ein 6-pulsiger Diodengleichrichter sind. Jeder Teilstromrichter4 bzw.6 ist gleichspannungsseitig mit einem Kondensator8 bzw.10 eines Spannungszwischenkreises12 verknüpft. Da diese beiden Kondensatoren8 und10 elektrisch in Reihe geschaltet sind, weist dieser Spannungszwischenkreis12 drei Potentiale C, M und D auf. Außerdem weist dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter einen maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichter14 auf, an dessen wechselstromseitigen Ausgängen R, S, T eine Drehfeldmaschine16 angeschlossen ist. Gleichspannungsseitig ist dieser maschinenseitige Dreipunkt-Stromrichter14 mit den drei Potentialen C, M und D des Spannungszwischenkreises12 elektrisch leitend verbunden. Als Stromrichterventile dieses maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichters14 sind High-Voltage-Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (HV-IGBT) vorgesehen. Die Teilstromrichter4 und6 des mehrpulsigen Einpeisestromrichters2 sind wechselstromseitig jeweils mit einer Sekundärwicklung18 und20 eines Stromrichter-Transformators22 elektrisch leitend verbunden. Primärseitig ist dieser Stromrichter-Transformators22 mit einem dreiphasigen Netz24 verknüpft. - In der
2 ist ein Blockschaltbild eines bekannten Dreipunkt-Umrichters mit einem Active Front End dargestellt. Dieser Dreipunkt-Umrichter unterscheidet sich vom Dreipunkt-Umrichter mit einem Dioden Front End gemäß1 dadurch, dass an Stelle eines 12-pulsigen Einspeisestromrichters4 , bestehend aus zwei 6-pulsigen Diodengleichrichter, nun ein selbstgeführter Pulsstromrichter26 vorgesehen ist. Wechselspannungsseitig ist dieser selbstgeführte Pulsstromrichter26 mit einem Stromrichter-Transformator28 verknüpft, der nur eine Sekundärwicklung30 aufweist. Primärseitig ist dieser Stromrichter-Transformator28 ebenfalls mit einem speisenden dreiphasigen Netz24 verknüpft. In den Zuleitungen zu den wechselspannungsseitigen Eingängen U3, V3, W3 des netzseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters26 sind jeweils eine Drossel32 angeordnet. Dieser selbstgeführte Pulsstromrichter26 ist ebenfalls in Dreipunkttechnik ausgeführt, wie der maschinenseitige Dreipunkt-Stromrichter14 . Der Aufwand für die Regelung dieses netzseitigen selbstgeführten Stromrichters26 liegt in der gleichen Größenordnung wie beim maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichter14 . Da dieser selbstgeführte Pulsstromrichter26 als Gleichrichter oder als Wechselrichter betrieben werden kann, ist ein Energiefluss vom speisenden Netz24 zur Drehfeldmaschine16 und umgekehrt möglich. Der Netzstrom ist durch die Verwendung eines selbstgeführten Pulsstromrichters26 als Einspeisestromrichter nahezu sinusförmig, so dass die Netzrückwirkungen dieses Umrichters minimal sind. - In der
3 ist ein Ersatzschaltbild eines Antriebsumrichters dargestellt, der aus der PCIM-Veröffentlichung bekannt ist. Dieser bekannte Antriebsumrichter weist netzseitig einen Gleichrichter34 und lastseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter36 auf. Der Gleichrichter34 und der lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter36 sind gleichspannungsseitig direkt mittels einer positiven und negativen Stromschiene38 und40 miteinander elektrisch leitend verbunden. Im Gleichspannungszwischenkreis sind somit keine Zwischenkreisdrossel und kein Zwischenkreiskondensator mehr vorhanden. Zwischen den Anschlüssen U, V, W eines nicht näher dargestellten Netzes und den wechselspannungsseitigen Eingangs-Anschlüssen des Gleichrichters34 ist eine Kondensatoranordnung42 angeordnet. Diese Kondensatoranordnung42 weist drei Kondensatoren44 auf, die elektrisch in Dreieck geschaltet sind. Der netzseitige Stromrichter34 weist für jede Spannungsphase zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden D1, D2; D3, D4 und D5, D6 auf, die derart elektrisch geschaltet sind, dass eine dreiphasige Gleichrichterbrückenschaltung entsteht. Elekt risch parallel zu jeder Diode D1, ...D6 dieses Gleichrichters34 ist jeweils ein elektronisch steuerbarer Schalter T1, ...T6 geschaltet. Als elektronisch steuerbarer Schalter T1, ...T6 sind abschaltbare Halbleiter, insbesondere IGBTs, vorgesehen. Diese abschaltbaren Halbleiterschalter T1, ...T6 sind mit einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung verbunden. Eine mögliche Ausführungsform einer derartigen Steuereinrichtung ist in derDE 199 13 634 A1 näher dargestellt. Elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen des lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters36 ist ein Kondensator46 , insbesondere ein Folienkondensator, als Beschaltungskondensator geschaltet. Mittels dieses Beschaltungskondensators46 wird die Spannung an den abschaltbaren Halbleiterschaltern des selbstgeführten Pulsstromrichters36 auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. - Die Phasenspannungen UU, UV und UW des nicht näher dargestellten speisenden Netzes in der
3 sind in der4 in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt. Dieser Darstellung kann entnommen werden, dass zu den Zeitpunkten t1 bis t6 jeweils ein Schnittpunkt K1, ...K6 zweier Phasenspannungen auftreten. Diese Schnittpunkte K1, ...K6 sind die natürlichen Kommutierungszeitpunkte eines ungesteuerten Gleichrichters. Eine vom Gleichrichter34 erzeugte Gleichspannung uZK ist ebenfalls im Diagramm der4 über der Zeit t dargestellt. Zu diesen Zeitpunkten t1, ...t6 geht jeweils eine zu den zwei beteiligten Phasenspannungen UW, UU; UV, UW; UU, UV; UW, UU; UV, UW und UU, UV korrespondierende verkettete Spannungen durch Null. D.h., diese verketteten Spannungen wechseln jeweils das Vorzeichen. Diese verketteten Spannungen sind an den Kondensatoren44 der Kondensatoranordnung42 des Gleichrichters34 nach3 abnehmbar. - Dieser so genannte F3E-Stromrichter wird derart gesteuert, dass die abschaltbaren Halbleiterschalter T1, ...,T6 jeweils genau zu den Stromführungszeiten korrespondierender Dioden D1, ...,D6 leitend geschaltet werden. Die Stromführungszeiten der Dioden D1, ...,D6 sind durch die natürlichen Kommutie rungszeitpunkte K1, ...,K6 bestimmt. Dadurch wird jeweils zum Strompfad durch eine Diode D1, ...,D6 auch noch ein zweiter paralleler Strompfad durch einen zugehörigen abschaltbaren Halbleiterschalter T1, ...,T6 angeboten. Somit ist immer ein Energiefluss vom speisenden Netz zu einer Last und umgekehrt möglich.
- In der
5 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreipunkt-Umrichters näher dargestellt. Dieser Dreipunkt-Umrichter weist einen 12-pulsigen Einspeisestromrichter48 , bestehend aus zwei Teilstromrichter50 und52 , die gleichspannungsseitig elektrisch in Reihe geschaltet sind, und einen maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichter54 auf. Dieser maschinenseitige Dreipunkt-Stromrichter54 entspricht dem maschinenseitigen Stromrichter14 gemäß1 . Elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen56 ,58 und58 ,60 ist jeweils ein Beschaltungskondensator62 und64 geschaltet. Diese Beschaltungskondensatoren62 und64 begrenzen die Spannung an den abschaltbaren Halbleiterschaltern des maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichters54 jeweils während eines Ausschaltvorgangs. Als Beschaltungskondensatoren62 und64 werden vorzugsweise Folienkondensatoren verwendet. Jeweils ein Teilstromrichter50 bzw.52 ist gleichspannungsseitig mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen56 und58 bzw.58 und60 elektrisch leitend verbunden. Wechselspannungsseitig weist jeder Teilstromrichter50 bzw.52 eine Kondensatoranordnung66 und68 auf. Diese Kondensatoranordnungen66 und68 weisen jeweils drei Kondensatoren70 bzw.72 auf, die wie in diesem Blockschaltbild elektrisch in Stern geschaltet sind. Diese Kondensatoren70 bzw.72 können elektrisch auch in Dreieck geschaltet sein. Wechselspannungsseitig sind diese Teilstromrichter50 und52 jeweils mit einer Sekundärwicklung18 bzw.20 des Stromrichter-Transformators22 elektrisch leitend verbunden. Primärseitig ist dieser Stromrichter-Transformator22 mit einem speisenden Netz24 verknüpft. In den Leitungen von den Sekundärwicklungen18 und20 zu den Teilstromrichtern50 und52 ist jeweils eine Drossel74 bzw.76 angeordnet. Diese Drosseln74 und76 werden nicht mehr gebraucht, wenn der Wert der Streuinduktivität des Stromrichter-Transformators22 ausreichend groß ist. - Als Teilstromrichter
50 und52 sind jeweils 6-pulsige Diodengleichrichter vorgesehen, deren Dioden jeweils ein abschaltbarer Halbleiterschalter elektrisch antiparallel geschaltet sind. Diese abschaltbaren Halbleiterschalter werden genau derart angesteuert, dass diese zu den Stromführungszeiten der zugehörigen Dioden leitend sind. Somit bildet jeder Teilstromrichter50 und52 im Zusammenhang mit der wechselspannungsseitigen Kondensatoranordnung66 und68 einen grundfrequent getakteten Stromrichter. - Durch die Verwendung von grundfrequent getakteten Stromrichtern als Teilstromrichter
50 und52 eines 12-pulsigen Einspeisestromrichters48 werden keine Zwischenkreiskondensatoren, wie bei den Dreipunkt-Umrichter gemäß1 mehr benötigt. Außerdem sind nun die Teilstromrichter50 und52 gegenüber den Teilstromrichtern4 und6 gemäß1 rückspeisefähig, wobei die Steuerung sehr einfach ausfällt. - Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des mehrpulsigen Einspeisestromrichters eines Dreipunkt-Umrichters werden die Vorteile eines Dioden Front End mit den Vorteilen eines Fundamental Frequency Front End kombiniert. Dazu gehören die einfache Struktur der 6-pulsigen Teilstromrichter
50 und52 des Einspeisestromrichters (Netzanbindung), Vermeidung von Harmonischen zur Schaltfrequenz und durch die Verschaltung zweier 6-pulsiger Teilstromrichter50 und52 (12-Pulsigkeit) treten keine 5. und 7. Harmonischen auf. Diese Teilstromrichter50 und52 sind rückspeisefähig, ohne dass ein Steuerverfahren wie bei eine Active Front End verwendet werden muss. Durch die netzfrequente Steuerung entstehen geringere Verluste in den Halbleitern des Front-Ends und der Aufwand eines Netzfilters verringert sich ebenfalls.
Claims (7)
- Dreipunkt-Umrichter mit einem wenigstens zwei Teilstromrichter (
50 ,52 ) aufweisenden mehrpulsigen Einspeisestromrichter (48 ), einen maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichter (54 ) und einem Stromrichter-Transformator (22 ) mit wenigstens zwei Sekundärwicklungen (18 ,20 ), wobei jeder Teilstromrichter (50 ,52 ) wechselspannungsseitig mit einer Sekundärwicklung (18 ,20 ) des Stromrichter-Transformators (22 ) und gleichspannungsseitig mit zwei gleichspannungsseitigen Anschlüssen (56 ,58 ;58 ,60 ) elektrisch leitend verbunden ist, wobei diese Teilstromrichter (50 ,52 ) gleichspannungsseitig elektrisch in Reihe geschaltet sind, und wobei jeder Teilstromrichter (50 ,52 ) ein grundfrequent getakteter Stromrichter ist. - Dreipunkt-Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der grundfrequente getaktete Stromrichter ein mehrphasiger Diodengleichrichter ist, der wechselspannungsseitig eine Kondensatoranordnung aufweist, und deren Dioden jeweils ein abschaltbarer Halbleiterschalter elektrisch antiparallel geschaltet sind.
- Dreipunkt-Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem maschinenseitigen Dreipunkt-Stromrichter (
54 ) gleichspannungsseitig zwei elektrisch in Reihe geschaltete Beschaltungskondensatoren (62 ,64 ) elektrisch parallel geschaltet sind. - Dreipunkt-Umrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (
70 ,72 ) der Kondensatoranordnung (66 ,68 ) in Dreieck geschaltet sind. - Dreipunkt-Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (
70 ,72 ) der Kondensatoranordnung (66 ,68 ) in Stern geschaltet sind. - Dreipunkt-Umrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zuleitung zum grundfre quent getakteten Stromrichter eine Drossel (
74 ,76 ) geschaltet ist. - Dreipunkt-Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichter-Transformator (
22 ) ein Transformator mit hoher Streuinduktivität vorgesehen ist.
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8131 | Rejection |