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Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung mit einem Umrichter mit einer Wechselspannungsseite zum Verbinden mit einem Wechselspannungsnetz sowie einer Gleichspannungsseite, und mit einer Speicheranordnung, die mit der Gleichspannungsseite des Umrichters verbindbar ist, wobei die Speicheranordnung eine Mehrzahl elektrisch miteinander verbundener Speichermodule umfasst.
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Eine solche Umrichteranordnung ist aus der
WO 2007/102758 A1 bekannt. Dort ist eine Leistungskompensationsanlage beschrieben, die sowohl Blindleistung als auch Wirkleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen kann. Die bekannte Leistungskompensationsanlage umfasst einen Umrichter, der auch als STATCOM (Static Var Compensator) bezeichnet wird, der wechselspannungsseitig über einen Transformator mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist. In einer Parallelschaltung zu der Gleichspannungsseite des Umrichters ist eine Kapazität angeordnet. Die Leistungskompensationsanlage umfasst ferner eine Speicheranordnung in Form von Batterien, die in einer Reihenschaltung parallel zur Kapazität angeordnet sind. Durch den Austausch von Blind- und Wirkleistung mit dem Wechselspannungsnetz kann die bekannte Umrichteranordnung besonders wirksame Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes sorgen.
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Im Betrieb der Speicheranordnung ist es wichtig, dass die einzelnen Speichermodule stets gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise führen Abweichungen der Kapazität der Speichermodule untereinander zu unterschiedlichen Seichermodulspannungen an den Speichermodulen, was auch als Unsymmetrie bezeichnet wird. Die Unsymmetrie begrenzt die Nutzbarkeit der Speicheranordnung.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Umrichteranordnung der obigen Art vorzuschlagen, deren Nutzbarkeit möglichst hoch ist.
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Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Umrichteranordnung durch eine Regelungseinrichtung erfindungsgemäß zur Regelung von Speichermodulspannungen der Speichermodule gelöst, wobei die Regelungseinrichtung dazu eingerichtet ist, Datensignale mit den Speichermodulen auszutauschen. Die Regelungseinrichtung hat demnach insbesondere die Eigenschaft und die Aufgabe, durch eine geeignete Regelung der Speichermodulspannungen und eine darauf ausgerichtete Ansteuerung der Speichermodule für eine Balancierung, d.h. eine Beseitigung der Unsymmetrie der Speichermodulspannungen zu sorgen. Dazu tauscht die Regelungseinrichtung bestimmte Datensignale mit den Speichermodulen beziehungsweise insbesondere mit den Steuerungseinheiten, die in die Speichermodule eingebaut sind. Die Regelungseinrichtung ist zweckmäßigerweise dazu geeignet, diese Datensignale regelungstechnisch auszuwerten. Basierend auf der Auswertung empfangener Datensignale kann die Regelungseinrichtung wiederum weitere Datensignale in Form von Steuerungssignalen zur Steuerung der Speichermodle generieren und an die Steuerungseinheiten der Speichermodule übermitteln.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung ist es, dass durch die verwendete Regelungseinrichtung eine Balancierung einer hohen Anzahl von Speichermodulen ermöglicht ist. Dadurch ist es möglich, auch Speichermodule zu verwenden, die aus einer Vielzahl von Niederspannungsspeicherzellen bestehen bzw. solche umfassen. Die Regelungseinrichtung der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung kann beispielsweise zudem Betriebsfunktionen, wie beispielsweise eine Festlegung eines gemeinsamen elektrischen Basispotenzials, sowie Sicherungsfunktionen ausführen.
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Vorteilhaft können mit der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung negative Alterungseffekte und Kapazitätsverluste minimiert werden.
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Ferner kann durch die Möglichkeit der Balancierung der Speichermodule mittels der Regelungseinrichtung der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung vorteilhaft eine höhere Lebensdauer, höhere Nutzbarkeit, eine schnellere Entladung in einem Störfall sowie eine höhere Effizienz beim Entladen der Speichermodule erreicht werden.
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Geeigneterweise ist die Regelungseinrichtung über Datenverbindungen mit den Speichermodulen beziehungsweise mit den Steuerungseinheiten verbunden. Der Austausch von Datensignalen erfolgt demnach über die Datenverbindungen. Die Datenverbindungen können beispielsweise jeweils als ein Daten-Bus ausgeführt sein. Zum Austausch der Daten bzw. Datensignale ist zweckmäßigerweise ein entsprechend geeignetes Kommunikationsprotokoll wie beispielsweise die dem Fachmann bekannten Protokolle CAN, ProfiNet oder IEC 61850 sein. Weiterhin ist es möglich, drahtlose Kommunikation, wie beispielsweise WLAN oder Bluetooth, einzusetzen.
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Vorzugsweise umfasst die Speicheranordnung mehrere parallel geschaltete Speicherzweige, wobei jeder Speicherzweig eine Reihenschaltung der Speichermodule aufweist. Somit sind demnach Speichermodule in mehreren parallel geschalteten Reihenschaltungen miteinander verbunden. Durch die Verbindung mehrerer Seichermodule in einer Reihenschaltung kann die erreichbare Spannung der Speicheranordnung erhöht werden. Durch die Verbindung der Reihenschaltungen parallel zueinander kann die Leistungsaufnahmefähgikeit der Speicheranordnung erhöht werden. Die Regelungseinrichtung umfasst bevorzugt eine zentrale Regelungseinheit sowie mehrere Untereinheiten, wobei die zentrale Regelungseinheit mit den Untereinheiten mittels Datenleitungen verbunden ist und jedem der Speicherzweige wenigstens eine Untereinheit der Regelungseinrichtung zugeordnet ist, wobei jede Untereinheit zur Regelung einer Untergruppe der Speichermodule und zum Austausch von Daten mit den Speichermodulen der zugeordneten Untergruppe eingerichtet ist. Beispielsweise kann eine Untereinheit durch die Speichermodule eines Speicherzweiges gebildet sein. Auf diese Weise kann die zentrale Regelungseinheit die übermittelten Daten sowie die Funktionsweise der Untereinheiten koordinieren. Jedem der Speicherzweige kann gemäß einer Variante genau eine Untereinheit zugeordnet sein. Die Speichermodule eines Speicherzweiges können dann mittels derjenigen Untereinheit geregelt werden, die diesem Speicherzweig zugeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise ist jede Untereinheit dazu eingerichtet, folgende Daten an die Speichermodule zu übermitteln bzw. bereitzustellen: einen Sollwert und/oder einen Stellwert der Spannung und/oder eines Speichermodul-Ladezustandes für jedes Speichermodul im zugeordneten Speicherzweig, wobei die Liste nicht als abschließend verstanden werden soll.
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Bevorzugt ist die zentrale Regelungseinheit dazu eingerichtet, Sollwerte und/oder Stellwerte der Spannung und/oder eines Speicherzweig-Ladezustandes für jeden Speicherzweig beziehungsweise jede Untergruppe an die Untereinheiten bereitzustellen, wobei die Liste nicht als abschließend verstanden werden soll. Somit erhält jede Untereinheit der Regelungseinrichtung entsprechende Soll- und Stellwerte, die sie bearbeiten und in Soll- und Stellwerte für die einzelnen Speichermodule des Speicherzweiges, beziehungsweise der Untergruppe umwandeln kann.
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Vorzugsweise sind zwischen wenigstens einem Speichermodul eines Speicherzweiges und der ihnen zugeordneten Untereinheit der Regelungseinrichtung folgende Daten übertragbar: Spannung und/oder Kapazität und/oder Ladezustand und/oder ein Zustandssignal, wobei die Untereinheiten dazu eingerichtet sind, die genannten Daten an die zentrale Regelungseinheit zu übermitteln. Das Zustandssignal kann beispielsweise die Information enthalten, ob das betreffende Speichermodul funktionstüchtig ist oder ein Fehler im Speichermodul vorliegt. Es ist ferner denkbar, weitere Informationen über den Zustand der Speichermodule von den Speichermodulen an die Untereinheiten zu übermitteln, wie beispielsweise Temperatur. Die Untereinheiten sind dazu eingerichtet, die von den Speichermodulen empfangenen Daten nach deren Bearbeitung an die zentrale Regelungseinheit zu übertragen.
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Vorzugsweise umfassen die einzelnen Speichermodule sogenannte Supercaps, die auch als Superkondensatoren bezeichnet werden, oder entsprechend Ultracaps. Speicherelemente dieser Art weisen eine besonders hohe Leistungsdichte auf, so dass sie besonders schnell auf- und entladen werden können. Es ist jedoch auch denkbar, andere Speicherelemente, wie beispielsweise Batteriespeicher oder Lithium-Zellen zu verwenden.
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Da im Wechselspannungsnetz üblicherweise Spannungen von über 100 kV eingesetzt werden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Speichermodule an ihren Klemmen eine Spannung von mehr als 1 kV aufbauen können bwz. an ihrem Klemmen eine Spannung von mehr als 1 kV erzeugt werden kann. Durch die Reihenschaltung der Speichermodule kann eine entsprechend hohe Gesamtspannung erreicht werden.
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Zweckmäßigerweise umfassen die die Halbleiterschaltmodule Zwischenkondensatoren, die auch als Zwischenkreiskondensatoren bezeichnet werden können. Auf diese Weise ist die Umrichteranordnung zu einer Blindleistungskompensation im Wechselspannungsnetz ertüchtigt. Die Zwischenkondensatoren der Halbleiterschaltmodule sind nicht dazu vorgesehen, Wirkleistung zwischen der Umrichteranordnung und dem Wechselspannungsnetz auszutauschen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Halbleiterschaltmodule jeweils Halbleiterschalter sowie einen Zwischenkondensator, die miteinander in einer Vollbrückenmodulschaltung verbunden sind. Eine Vollbrückenmodulschaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Reihenschaltungen von zwei Halbleiterschaltern parallel geschaltet sind, wobei parallel zu den Reihenschaltungen der Halbleiterschalter der Zwischenkondensator angeordnet ist. Die Vollbrückenmodulschaltung weist zwei Anschlussklemmen auf, wovon eine mit einem Potenzialpunkt zwischen den Halbleiterschaltern der einen Reihenschaltung und die andere mit einem Potenzialpunkt zwischen den Halbleiterschaltern der anderen Reihenschaltung angeordnet ist. An den an Anschlussklemmen des Halbleiterschaltmoduls eine an dem Zwischenkondensator abfallende Kondensatorspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Kondensatorspannung erzeugbar ist.
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Zweckmäßigerweise ist die Umrichteranordnung dazu eingerichtet, durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschaltmodule mittels einer Umrichterregelung eine Wirkleistung zwischen der Speicheranordnung und einem an die Umrichteranordnung wechselspannungsseitig angeschlossenen Wechselspannungsnetz auszutauschen. Damit ist die Umrichteranordnung dazu geeignet, beispielsweise zu einer Frequenzstabilisierung im Wechselspannungsnetz beizutragen.
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Geeigneterweise ist die Umrichteranordnung ferner dazu eingerichtet, durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschaltmodule mittels einer Umrichterregelung eine Blindleistung zwischen den Halbleiterschaltmodulen und einem an die Umrichteranordnung wechselspannungsseitig angeschlossenen Wechselspannungsnetz auszutauschen. Die Umrichteranordnung kann damit dazu verwendet werden, das Wechselspannungsnetz weiter zu stabilisieren.
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Mit der Reihenschaltung der Halbleiterschalteinheiten ist der Umrichter ein sogenannter modularer Mehrstufenumrichter (MMC). Die Halbleiterschalter der Halbleiterschalteinheiten des MMC sind voneinander unabhängig ansteuerbar, wodurch der MMC eine stufenförmige Wechselspannung mit einem nahezu beliebigen zeitlichen Verlauf generieren kann. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Umrichterarme des Umrichters in einer Doppelsternanordnung miteinander verbunden. Die Doppelsternanordnung ist durch den folgenden Aufbau gekennzeichnet. Der Umrichter umfasst drei Umrichterphasen mit jeweils zwei Umrichterarmen. Jede Umrichterphase erstreckt sich zwischen einem positiven und einem negativen Gleichspannungspol der Umrichteranordnung, die zugleich mit der positiven und negativen Gleichspannungssammelschiene verbunden sind. Die Umrichterarme einer einzelnen Umrichterphase sind in Reihe miteinander verbunden, wobei zwischen den Umrichterarmen jeweils ein Wechselspannungsanschluss zum Verbinden des Umrichters mit einer zugeordneten Phase des Wechselspannungsnetzes angeordnet ist. Die Speicheranordnung ist parallel zu den Umrichterphasen zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungspol geschaltet.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert werden.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung in einer schematischen Darstellung;
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Speicheranordnung;
- 3 zeigt ein Beispiel eines Halbleiterschaltmoduls.
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Im Einzelnen ist in 1 eine Umrichteranordnung 1 zum Stabilisieren eines Wechselspannungsnetzes 2 dargestellt. Die Umrichteranordnung 1 umfasst einen Umrichter 3, der einen Wechselspannungsanschluss 4 zum Anschluss an das Wechselspannungsnetz 2 aufweist. Damit ist der Umrichter 3 wechselspannungsseitig mit dem Wechselspannungsnetz 2 verbindbar. Der Umrichter umfasst sechs Umrichterarme 5a-5f, die in einer Doppelsternschaltung miteinander verbunden sind. Die drei Umrichterarme 5a-c sind in einem ersten Sternpunkt 6a, die Umrichterarme 5d-f in einem zweiten Sternpunkt 6b miteinander verbunden.
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Jeder Umrichterarm 5a-f weist eine Reihenschaltung von (im Ausführungsbeispiel der 1 gleichartig aufgebauten) Halbleiterschaltmodulen 7. Auf den Aufbau der Halbleiterschaltmodule 7 wird in der nachfolgenden Figur 3 näher eingegangen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 lediglich drei Halbleiterschaltmodule 7 dargestellt, deren Anzahl aber grundsätzlich beliebig und an die jeweilige Anwendung angepasst sein kann.
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Die Umrichteranordnung 1 umfasst ferner eine Speicheranordnung 8, die parallel zu den drei Umrichterphasen des Umrichters 3 angeordnet ist. Die Speicheranordnung 8 umfasst eine Mehrzahl von Speichermodulen. Auf den Aufbau der Speicheranordnung 8 wird in den nachfolgenden Figuren 2 und 3 näher eingegangen.
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Eine Regelungseinrichtung 9 zur Regelung der Umrichteranordnung 1 erlaubt eine derartige Steuerung der Halbleiterschaltmodule 7, dass ein Austausch von Blind- und Wirkleistung mit dem Wechselspannungsnetz 2 ermöglicht ist.
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Die Spannung im Wechselspannungsnetz 2 beträgt 110 kV AC. Eine Messeinrichtung 12 ist dazu eingerichtet, die Leistung im Wechselspannungsnetz 2 zu messen. Die Messeinrichtung 12 ist ausgangsseitig mit der Regelungseinrichtung 9 verbunden, so dass die Regelung der Umrichteranordnung 1 unter Verwendung der gemessenen übertragenen Leistung vorgenommen wird. Die Messung der Leistung kann beispielsweise über eine Strom- und Spannungsmessung erfolgen.
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2 zeigt eine Speicheranordnung 8, die in der Umrichteranordnung 1 der 1 einsetzbar ist. Die Speicheranordnung 8 weist zwei Anschlüsse 21, 22 auf. Mittels der Anschlüsse 21, 22 kann die Speicheranordnung 8 mit der Gleichspannungsseite des Umrichters 3 der Umrichteranordnung 1 der 1 verbunden werden. Die Speicheranordnung 8 umfasst eine Vielzahl von Speicherzweigen 23a-n, die sich jeweils zwischen einer positiven Gleichspannungssammelschiene 24 und einer negativen Gleichspannungssammelschiene 25 erstrecken und mit ihr elektrisch verbunden sind. In 2 sind aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich zwei Speicherzweige 23a und 23n figürlich dargestellt. Ihre Anzahl ist jedoch grundsätzlich im Rahmen der jeweiligen Anwendung beliebig, was durch die punktierte Linie 26 angedeutet ist.
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Jeder Speicherzweig 23a-n weist eine Reihenschaltung von m einzelnen Speichermodulen 23a1-m, 23n1-m auf. Die Speicherzweige 23a-n sind zueinander parallel geschaltet. Die Anzahl m der Speichermodule 23a1-23nm in jedem Zweig kann bis zu mehreren hundert betragen.
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Die Speichermodule 23a1-nm der Speicheranordnung 8 sind in Türmen 30 angeordnet. Jeder Turm 30 kann dabei 5 bis 50 Speichermodule 23a1-nm aufnehmen. Die Türme 30 bilden eine tragende Struktur zur Aufnahme der Speichermodule 23a1-nm.
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Die Speichermodule 23a1-nm umfassen jeweils eine Vielzahl von sogenannten Superkondensatoren (Supercaps) oder Batterie. Die an den Speichermodulen 23a1-nm abfallende Spannung beträgt im Beispiel der 3 125 V. Entsprechend kann die Spannung an jedem Turm beispielsweise 1,25 kV und die Gesamtspannung an den Anschlüssen 21, 22 der Speicheranordnung 24 kV betragen, falls zehn Speichermodule pro Turm 30 und zwanzig Türme in einem Speicherzweig 23a-n eingesetzt sind. Die auf einer Etage eines der Türme 30 angeordneten Speichermodule bilden eine Untergruppe 31a-n der Speichermodule.
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Die Speicheranordnung 8 umfasst ferner eine Regelungseinrichtung 20 mit einer zentralen Regelungseinheit 201 und Untereinheiten 20a-n. Jedem der Untergruppen 31a-n ist eine der Untereinheiten 20a-n zugeordnet. Jede der Untereinheiten 20an ist mit den Speichermodulen in der zugeordneten Untergruppe 31a-n mittels Datenverbindungen DV verbunden. Entsprechend ist die zentrale Regelungseinheit 201 mit den Untereinheiten 20a-n über Datenleitungen DL verbunden. Mittels der Datenverbindungen DV und der Datenleitungen DL ist ein Austausch von Datensignalen bzw. Daten, wie Zustandsdaten der Speichermodule und Soll- bzw. Stellwerte für die einzelnen Speichermodule bereitstellbar. Auf diese Weise kann mittels der Regelungseinrichtung eine Balancierung der Speichermodulspannungen der Speichermodule auf eine effiziente und zuverlässige Weise durchgeführt werden.
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Ein Beispiel eines Halbleiterschaltmoduls 7 in Form einer Vollbrückenmodulschaltung 101 ist in 4 schematisch dargestellt. Die Vollbrückenmodulschaltung 101 weist einen ersten Halbleiterschalter 102 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 103 antiparallel geschaltet ist sowie einen zweiten Halbleiterschalter 104 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 105 antiparallel geschaltet ist. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 102 und 104 ist gleichgerichtet. Ferner umfasst die Vollbrückenmodulschaltung 101 einen dritten Halbleiterschalter 109 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 110 antiparallel geschaltet ist sowie einen vierten Halbleiterschalter 111 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 112 antiparallel geschaltet ist. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 109 und 111 ist gleichgerichtet. Die Halbleiterschalter 102 und 104 mit ihnen zugeordneten Freilaufdioden 103, 105 bilden somit eine Reihenschaltung, die einer durch die Halbleiterschalter 109, 111 und die zugeordneten Freilaufdioden 110 und 112 gebildeten Reihenschaltung parallel geschaltet ist. Ein Zwischenkondensator 106 ist parallel zu den beiden Reihenschaltungen angeordnet. Der erste Anschluss X1 ist an einem Potenzialpunkt 113 zwischen den Halbleiterschaltern 102, 104 angeordnet, der zweite Anschluss X2 ist an einem Potenzialpunkt 114 zwischen den Halbleiterschaltern 109, 111 angeordnet.
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Durch eine geeignete Steuerung der Leistungshalbleiter 102, 104, 109 und 111 kann die an den Anschlüssen X1, X2 abfallende Spannung erzeugt werden, die der am Zwischenkondensator 106 abfallenden Spannung Uc, der am Zwischenkondensator 106 abfallenden Spannung jedoch mit entgegengesetzter Polarität (-Uc) oder der Spannung null entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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