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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Umrichterschaltung mit einem netzseitigen
Stromrichter, mindestens einem lastseitigen Stromrichter und einem
diesen Stromrichtern zwischengeschalteten Gleichspannungszwischenkreis,
in den eine Zwischenkreiskapazität geschaltet ist. Der
netzseitige Stromrichter wird im Folgenden als Gleichrichter, der lastseitige
Stromrichter als Wechselrichter bezeichnet, ohne dass hierdurch
rückspeisefähige Umrichterschaltungen ausgeschlossen
werden sollen. Der Gleichrichter wird auch als AFE (active front
end) bezeichnet.
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Eine
solche Umrichterschaltung wird insbesondere zur Ansteuerung eines
Elektromotors für eine Produktions- oder Werkzeugmaschine
eingesetzt. Problematisch bei einer solchen Umrichterschaltung sind
insbesondere kurzzeitige Netzunterbrechungen, bei denen sich die
Zwischenkreiskapazität ganz oder teilweise entlädt.
Aufgrund des in der Regel sprunghaften Anstiegs der Netzspannung
bei der Netzwiederkehr kommt es häufig zu hohen Nachladeströmen über
die Freilaufdioden des Gleichrichters, die zur Zerstörung
der dortigen Freilaufdioden führen können. Das
Risiko schädlicher Nachladeströme ist umso größer,
je größer die Zwischenkreiskapazität
gewählt ist. Die bei einer Umrichterschaltung zu erwartenden
Nachladeströme werden andererseits begrenzt durch Kommutierungsinduktivitäten, die
dem Gleichrichter üblicherweise zu Entstörungszwecken
vorgeschaltet werden.
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Um
Schäden auf Grund von Nachladeströmen zu vermeiden,
werden bei herkömmlichen Umrichterschaltungen die Diodenflächen
des Gleichrichters üblicherweise hinreichend überdimensioniert,
so dass das Grenzlastintervall der Diodenflächen über den
maximal zu erwartenden Lastintegral liegen. Als Lastintegral wird
hierbei das zeitliche Integral der über die Diodenflä chen
des Gleichrichters fließenden elektrischen Leistung bezeichnet.
Das Lastintegral ist bei einer gegebenen Umrichterschaltung aus
der Differenz zwischen der maximal zulässigen Zwischenkreisspannung
und der maximalen Netzspannung sowie der maximalen Ausbaustufe der
niederinduktiv an der Zwischenkreis angebundenen Kapazität
bestimmbar. Weiterhin ist die Kommutierungsinduktivität
als begrenzend für das Lastintegral zu berücksichtigen.
Das Grenzlastintegral bezeichnet hierbei das maximale Lastintegral,
das die Freilaufdioden ohne Schaden verkraften.
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Bei
hochfrequent taktenden Gleichrichtern, wie sie derzeit in Entwicklung
sind, ist eine hinreichende Überdimensionierung der netzseitigen
Freilaufdioden mit einem erheblich steigenden Kostenaufwand verbunden,
da bei einem solchen Gleichrichter die Kommutierungsinduktivität
auf Grund der hohen Taktfrequenz der Leistungsschalter kleiner zu dimensionieren
ist. Als hochfrequenztaktend werden hierbei Gleichrichter mit einer
Taktfrequenz von deutlich oberhalb von 16 kHz bezeichnet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber Netzunterbrechungen
robuste, dabei aber gleichzeitig einfache und kostengünstige
Umrichterschaltung anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die
Aufgabe, ein besonders effektives Verfahren zum Schutz einer Umrichterschaltung
vor einem – insbesondere durch eine Netzunterbrechung bedingten – Überstrom
anzugeben.
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Bezüglich
der Umrichterschaltung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst die grundsätzlich
in der eingangs beschriebenen Weise aufgebaute Umrichterschaltung
eine der Zwischenkreiskapazität und dem netzseitigen Stromrichter
(Gleichrichter) zwischengeschaltete Überstrombegrenzungsschaltung.
Die Überstrombegrenzungsschaltung umfasst in Parallelschaltung
mindestens einen Ladewiderstand und ein Schaltelement. Dieses Schaltelement ist
derart ausgebildet, dass es entgegen des vorgesehenen Po tentialgefälles
im Gleichspannungszwischenkreis permanent leitet. In Richtung des
vorgesehenen Potentialgefälles im Gleichspannungszwischenkreis
ist das Schaltelement dagegen schaltbar, wobei es schließt
(d. h. leitend wird) wenn die Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen
Einschaltschwellwert überschreitet, und öffnet
(also einen Stromfluss sperrt), wenn die Zwischenkreisspannung einen
vorgegebenen Ausschaltschwellwert unterschreitet. Das Schaltelement
hat mit anderen Worten die elektrische Charakteristik einer schaltbaren
Diode.
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Der
Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass immer dann
Ladeströme auftreten, wenn die Zwischenkreiskapazität
stark entladen ist, und somit auch die Zwischenkreisspannung auf
einen geringen Wert abgesunken ist. Für diesen Fall wird
das Schaltelement der Überstrombegrenzungsschaltung erfindungsgemäß geöffnet,
so dass die Zwischenkreiskapazität in Laderichtung hochohmig
auf den Zwischenkreis geschaltet ist, und der Ladewiderstand somit
die bei Netzwiederkehr auftretenden Ladeströme effektiv
begrenzt.
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Bei
hinreichend hoher Zwischenkreisspannung stellen Ladeströme
dagegen erkanntermaßen keine Gefahr dar. In diesem Fall
ist die Zwischenkreiskapazität durch das nun geschlossene
Schaltelement niederohmig und niederinduktiv in den Zwischenkreis
geschaltet. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Überstrombegrenzungsschaltung
im Normalbetrieb der Umrichterschaltung nicht spürbar ist,
dass also der Normalbetrieb durch die Überstrombegrenzungsschaltung
nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Durch den Diodencharakter
des Schaltelements, infolge dessen die Zwischenkreiskapazität entgegen
der Laderichtung unabhängig von der Zwischenkreisspannung
niederohmig und niederinduktiv in den Zwischenkreis geschaltet ist,
wird bewirkt, dass die Zwischenkreiskapazität auch bei
niedriger Zwischenkreisspannung ungestört zur Pufferung
des Zwischenkreises, d. h. zur Überbrückung eines
Netzausfalls, zur Verfügung stehen kann.
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Infolge
der Überstrombegrenzungsschaltung ist eine Überdimensionierung
der Diodenflächen des netzseitigen Stromrichters nicht
mehr oder nur noch in vergleichsweise geringem Umfang erforderlich.
Es können hierdurch insgesamt für die Realisierung
der Umrichterschaltung Kosten eingespart werden. Dies kommt insbesondere
zum Tragen bei Umrichterschaltungen mit einer großen Zwischenkreiskapazität
und/oder Umrichterschaltungen mit einer hochfrequenten Taktung.
Vorteilhafterweise ist die Überstrombegrenzungsschaltung
insbesondere zwischen die Zwischenkreiskapazität und einen
Hochpotentialleiter des Gleichspannungszwischenkreises geschaltet.
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Bei
dem Schaltelement der Überstrombegrenzungsschaltung kann
es sich grundsätzlich um ein passives Schaltelement handeln.
Als passives Schaltelement wird hierbei ein Schaltelement bezeichnet,
das ohne äußeren Einfluss allein auf Grund der
anliegenden Spannungsdifferenz schaltet. Ein Beispiel für
ein solches passives Schaltelement ist insbesondere eine Zenerdiode.
Besonders bei einer Umrichterschaltung, die für eine hohe
Zwischenkreisspannung ausgelegt ist, wird alternativ hierzu bevorzugt
ein aktiv anzusteuerndes Schaltelement eingesetzt, das aufgrund
eines extern vorzugebenden Schaltsignals schaltet. In diesem Fall
umfasst die Überstrombegrenzungsschaltung zusätzlich
eine Steuereinheit, der die Zwischenkreisspannung oder ein Messwert
derselben zugeführt ist, und die das Schaltelement nach
Maßgabe eines Vergleichs der Zwischenkreisspannung mit
dem Ein- und Ausschaltschwellwert betätigt, d. h. schließt
bzw. öffnet. Ein solches aktiv anzusteuerndes Schaltelement
ist insbesondere durch einen Schalter sowie eine diesem parallel
geschaltete Diode gebildet. Bei dem Schalter kann es sich grundsätzlich
um einen elektromechanischen Schalter, insbesondere also ein Schütz
oder Relais handeln. Bevorzugt wird als Schalter aber ein elektronischer
Schalter, insbesondere ein IGBT, MOSFET oder ein Thyristor eingesetzt.
Der elektronische Schalter und die parallel ge schaltete Freilaufdiode
sind hierbei wahlweise als separate Bauteile oder als integriertes
Halbleitermodul ausgeführt.
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In
besonders einfacher Ausführung entspricht der Einschaltschwellwert
dem Ausschaltschwellwert. Alternativ hierzu kann für die Überstrombegrenzungsschaltung
aber auch eine positive oder negative Schalthysterese vorgesehen
sein, bei der sich Ein- und Ausschaltschwellwert unterscheiden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Zwischenkreiskapazität
und der Überstrombegrenzungsschaltung eine Hilfskapazität
parallel geschaltet, die wesentlich kleiner dimensioniert ist als
die Zwischenkreiskapazität. Die Hilfskapazität ermöglicht
vor allem eine verbesserte Kompensation von kleinen, schnellen Lastschwankungen
im Zwischenkreis, also Lastschwankungen, die auf kurzen Zeitskalen
erfolgen und die nur kleine Amplituden erreichen. Insbesondere werden
durch die Hilfskapazität Lastschwankungen, die durch die
Taktung des Gleich- und Wechselrichters verursacht sind, wirkungsvoll
gedämpft. Die Hilfskapazität ermöglicht weiterhin,
dass negative Zwischenkreisströme, wie sie in Leerlauf
oder bei einem Leistungsfaktor cos φ < 0,86 auftreten, abfließen
können. Infolge der im Vergleich zu der Zwischenkreiskapazität
kleinen Dimensionierung der Hilfskapazität hat letztere
dagegen nur einen unwesentlichen Einfluss auf die zu erwartenden
Ladeströme bei Netzwiderkehr. In bevorzugter Dimensionierung
ist die Hilfskapazität um einen Faktor zwischen 5 und 100,
insbesondere etwa um einen Faktor 10, kleiner dimensioniert als
die Zwischenkreiskapazität. Die Hilfskapazität
ist vorteilhafterweise zwischen der Zwischenkreiskapazität
und dem Gleichrichter angeordnet.
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Als
zusätzliche Sicherungsmaßnahme gegen einen Überstrom
beim Laden der Zwischenkreiskapazität ist im Gleichspannungszwischenkreis
optional in Serie zu der Überstrombegrenzungsschaltung
eine Sicherung angeordnet.
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Der
Ladewiderstand beträgt in vorteilhafter Dimensionierung
insbesondere zwischen 1 und 1000 Ohm, insbesondere etwa 10 bis 100
Ohm.
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Bezüglich
des Verfahrens wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 10. Danach ist bei einer Umrichterschaltung
der eingangs genannten Art vorgesehen, der Zwischenkreiskapazität
und dem netzseitigen Stromrichter (Gleichrichter) eine Überstrombegrenzungsschaltung
zwischenzuschalten, die in Parallelschaltung einen Ladewiderstand
und ein Schaltelement umfasst, wobei das Schaltelement entgegen des
vorgesehenen Potentialgefälles im Gleichspannungszwischenkreis
permanent leitet, und in Richtung des vorgesehenen Potentialgefälles
zwischen einem Öffnungszustand und einem Schließzustand schaltbar
ist. Verfahrensgemäß wird das Schaltelement hierbei
derart angesteuert, dass es schließt, wenn die Zwischenkreisspannung
einen vorgegebenen Einschaltwert überschreitet, und öffnet,
wenn die Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen Ausschaltwert
unterschreitet.
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Die
Steuereinheit ist insbesondere durch einen Komparator gebildet.
In einer zweckmäßigen Alternative hierzu ist eine
digitale Steuereinheit, insbesondere in Form eines ASICS, vorgesehen.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige
Figur in einem schematischen Blockschaltbild eine Umrichterschaltung
mit einer Überstrombegrenzungsschaltung.
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Die
in der Figur dargestellte Umrichterschaltung 1 ist zwischen
ein dreiphasiges (Strom-)Netz 2 und einen hier ebenfalls
dreiphasigen Laststromkreis 3 geschaltet, in den als Last
(nicht dargestellter) Elektromotor geschaltet ist.
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Der
Elektromotor dient insbesondere als Antrieb für eine Werkzeug-
oder Produktionsmaschine. Die Umrichterschaltung 1 dient
hierbei zur Umrichtung einer Netzspannung UN in
eine den Motor versorgende, zeitlich wechselnde Lastspannung UL.
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Die
Umrichterschaltung 1 umfasst einen netzseitigen Stromrichter,
der nachfolgend als Gleichrichter 4 bezeichnet ist. Bei
dem Gleichrichter 4 handelt es sich um einen rückspeisefähigen
Stromrichter, der sowohl elektrische Leistung für den Betrieb
des Motors aus dem Netz 2 entnehmen als auch generatorisch
vom Motor erzeugte elektrische Leistung in das Netz 2 rückspeisen
kann. Die Umrichterschaltung 1 umfasst des Weiteren einen
lastseitigen Stromrichter, der nachfolgend als Wechselrichter 5 bezeichnet
ist. Zwischen dem Gleichrichter 4 und dem Wechselrichter 5 ist
ein (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 6 gebildet. Der Gleichrichter 4 dient
hierbei dazu, die Netzspannung UN in eine – in
grober Näherung konstante – Zwischenkreisspannung
UZ umzuwandeln. Der Wechselrichter 5 dient
wiederum dazu, die Zwischenkreisspannung UZ in
die Lastspannung UL umzuwandeln.
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Dem
Gleichrichter 4 ist netzseitig eine Kommutierungsinduktivität 7 in
Form von Magnetspulen vorgeschaltet, die als Filter für
kommutierungsbedingte schnelle Spannungsfluktuationen wirken.
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Aufbau
und Funktionsweise der Stromrichter
4 und
5 sind
an sich bekannt und beispielsweise in
DE 10 2005 012 658 A1 beschrieben.
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Zum
Ausgleich von Spannungswelligkeiten der Zwischenkreisspannung UZ ist eine Zwischenkreiskapazität 8 in
Form eines oder mehrerer Kondensatoren zwischen einen Niederpotentialleiter 9 und
einen Hochpotentialleiter 10 des Zwischenkreises 6 geschaltet.
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Der
Zwischenkreiskapazität 8 und dem Hochpotentialleiter 10 ist
hierbei eine Überstrombegrenzungsschaltung 11 zwischengeschaltet,
deren Aufgabe darin besteht, die nach einem vorübergehenden
Netzausfall und anschließender Netzwiederkehr aus dem Netz 2 auf
die Zwischenkreiskapazität 8 fließenden
Ladeströme zu begrenzen. Die Überstrombegrenzungsschaltung 11 umfasst
in Parallelschaltung zueinander einen Ladewiderstand 12 und ein
Schaltelement 13. Das Schaltelement 13 ist wiederum
aus einem elektronischen Schalter 14 in Form eines IGBT
oder elektromechanischen Schalters sowie einer diesem parallel geschalteten
Diode 15 gebildet. Der Schalter 14 wird durch
eine digitale Steuereinheit 16 betätigt, die in
Form eines ASICS realisiert ist. Der Steuerschaltung 16 ist
wiederum die Zwischenkreisspannung UZ zugeführt.
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In
Parallelschaltung zu der Zwischenkreiskapazität 8 und
der Überstrombegrenzungsschaltung 11 ist des Weiteren
eine Hilfskapazität 17 in den Zwischenkreis 6 geschaltet,
deren Kapazitätswert etwa einem Zehntel der Zwischenkreiskapazität 8 entspricht.
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Die
Steuereinheit 16 misst im Betrieb der Umrichterschaltung 1 den
Wert der Zwischenkreisspannung UZ und vergleicht
diesen Wert einem hinterlegten (Einschalt-/Ausschalt-)Schwellwert
UZ0. Nach Maßgabe dieses Schwellwertvergleichs
steuert die Steuereinheit 16 den Schalter 14 derart
an, dass der Schalter 14 geschlossen ist, solange die Zwischenkreisspannung
UZ den Schellwert UZ0 überschreitet,
und offen ist, wenn die Zwischenkreisspannung UZ den
Schwellwert UZ0 unterschreitet.
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Damit
ergibt sich die Funktionsweise der Überstrombegrenzungsschaltung 11 wie
folgt:
Beim Laden des Zwischenkreises 6, und damit
bei anfänglich geringer Zwischenkreisspannung UZ, ist der Schalter 14 zunächst
geöffnet. Der Zwischenkreis 6 wird hierdurch über
den Ladewiderstand 12 geladen, bis die Zwischenkreisspannung
UZ den Schwellwert UZ0 erreicht.
Bei weiterem Ansteigen der Zwischenkreisspannung UZ schließt
die Steuereinheit 16 den Schalter 14, so dass
die Zwischenkreiskapazität 8 über den
Schalter 14 niederohmig und niederinduktiv auf den Zwischenkreis 6 geschaltet
ist. In diesem Zustand wird der Zwischenkreis 6 auf den Sollwert
der Zwischenkreisspannung UZ gebracht.
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Im
Normalbetrieb der Umrichterschalterung 1 bleibt der Schalter 14 geschlossen.
Der somit niederinduktive Zwischenkreis 6 steht auch im
generatorischen Betrieb zur Verfügung.
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Bei
einer Netzunterbrechung sinkt die Zwischenkreisspannung UZ ab. Sobald die Zwischenkreisspannung UZ hierbei den Schwellwert UZ0 unterschreitet, öffnet
die Steuereinheit 16 den Schalter 14. Ab diesem
Zeitpunkt ist die Zwischenkreiskapazität 8 in
Laderichtung hochohmig über den Ladewiderstand 12 auf
den Zwischenkreis 6 geschaltet. In Endladerichtung – also
gegen des vorgesehenen Potentialgefälles im Zwischenkreis 6 – ist
die Zwischenkreiskapazität 8 weiterhin niederinduktiv über
die Diode 15 mit der Zwischenkreisverschienung verbunden.
Die Zwischenkreiskapazität 8 steht somit weiterhin
in vollem Umfang zur Energiepufferung im Zwischenkreis 6,
und somit zur Überbrückung des Netzausfalls zur Verfügung.
Negative Zwischenkreisströme, wie sie im Leerlauf oder
bei Leistungsfaktor von cos φ < 0,86 auftreten, fließen über
die parallele Hilfskapazität 17.
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Bei
Netzwiederkehr nach der Netzunterbrechung ist der Schalter 14 zunächst
geöffnet und die Zwischenkreiskapazität 8 somit
hochohmig in Laderichtung an der Verschienung des Zwischenkreises 6 angebunden.
Der sich auf Grund der Spannungsdifferenz zwischen der wiederkehrenden
Netzspannung UN und des Momentwertes der
Zwischenkreisspannung UZ im Zwischenkreis 6 einstellende
Ladestrom wird somit durch den Ladewiderstand 12, so wie
zusätzlich die in Reihe geschalteten In duktivitäten,
nämlich die Netzinduktivität und die Kommutierungsinduktivität 7,
begrenzt.
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Sobald
die Zwischenkreisspannung UZ wiederum den
Schwellwert UZ0 erreicht, schließt
die Steuereinheit 16 wiederum den Schalter 14.
Sobald die Zwischenkreiskapazität 8 wieder vollständig
aufgeladen ist, ist damit auch der Normalbetrieb wieder erreicht.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass bei einem hochfrequent getakteten Gleichrichter 4 die
Eingangsdrossel in Induktivität und Größe
klein ausgelegt werden kann, zumal die nach einer Netzunterbrechung
zu erwartenden Nachladeströme wirksam durch den Ladewiderstand 12 begrenzt
werden. Eine Überdimensionierung der Diodenflächen
in dem Gleichrichter 4 ist somit nicht oder nur in vergleichsweise
geringen Umfang erforderlich. Bei externen Zwischenkreisen, z. B.
in modularer Form, muss der Zwischenkreis 6 nur bedingt
in Abhängigkeit der Größe des Ladewiderstandes 12 mit
eingerechnet werden. Es können Zwischenkreise 6 mit
hoher Kapazität zur Energiepufferung bei Netzausfall projektiert
werden. Hiermit ist eine Verlängerung der dem Kunden zugesicherten Pufferzeit
bei kurzzeitigen Netzunterbrechungen möglich. Diodenflächen
im Gleichrichter 4 können somit eingespart werden.
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Die Überstrombegrenzungsschaltung 11 kann
dezentral im Gleichrichter 4, aber auch zentral in einem
reinen Zwischenkreismodul vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005012658
A1 [0022]