DE1488822A1 - Elektrischer Wechselenergiewandler mit regelbarer Frequenz - Google Patents

Elektrischer Wechselenergiewandler mit regelbarer Frequenz

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DE1488822A1 DE19651488822 DE1488822A DE1488822A1 DE 1488822 A1 DE1488822 A1 DE 1488822A1 DE 19651488822 DE19651488822 DE 19651488822 DE 1488822 A DE1488822 A DE 1488822A DE 1488822 A1 DE1488822 A1 DE 1488822A1
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Description

Compagnie Generale d*Elecbronique Industrielle Lepaute 63, Boulevard. Bessi&res, Paris 17e, Frankreich
Elektrischer Wechselenergiewandler mit regelbarer Frequenz
Die Erfindung betrifft elektrische Wechselenergiewandler mit regelbarer Frequenz, insbesondere von der Art, bei der die Umwandlung des Wechselstromes der Frequenz f^, in Wechselstrom der Frequenz f2 direkt ohne Umweg über Gleichstrom geschieht·
Die Erfindung kann insbesondere bei der Steuerung solcher Umwandler angewandt werden»
Es ist "bekannt, daß diese Umwandler, beispielsweise im Fall der Speisung durch ein Dreiphasennetz, folgendermaßen arbeiten:
Die Speisespannung wird durch einen Umschalterkreis, der gesteuerte Gleichrichter aufweist, in eine relativ hohe Frequenz, zerhackt. Die Steuerung dieser Gleichrichter hängt von einem Phasenauswahlkreis ab, der für die Umschaltung die positivste und die negativste Phase des Speisenetzes wählt.
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Wenn der Verbraucherkreis gleichermaßen mehrphasig ist, z.B. dreiphasig, so wird jede Phase dieses Kreises durch, einen Umschalterkreis gespeiste Die Steuerung des Umschalterkreises wird durch einen dreiphasigen Piloten bestimmt, der den mittleren Wert der abgegebenen Spannung festlegte
da-Der Umwandler gemäß der Erfindung ist insbesondere/durch, gekennzeichnet, daß er zur Speisung jeder Phase des Empfangsnetzes einen Umschalter aufweist, der von ebensoviel Gruppen von gesteuerten Gleichrichtern gebildet wird als Phasen des Speisenetzes vorhanden sind, daß jede Gruppe • zwei gesteuerte Gleichrichter (oder zwei Gruppen von hintereinander geschalteten Gleichrichtern) aufweist, die parallel gegeneinander geschaltet sind, daß das Löschen der Gleichrichter mittels eines Hilfskreises mit gesteuerten Gleichrichtern erfolgt, der durch einen Kondensator und eine in Serie geschaltete Ums ehalt induktivität mit dem Verbindungspunkt der Phase des betrachteten Empfangsnetzes verbunden ist, daß die Umschaltung mittels Impulsen erfolgt, die durch einen Pilotgenerator erzeugt werden, wobei diese Impulse in Frequenz und in Phase von der Spannung des Speisenetzes mittels eines Steuerorgans gesteuert werden·
Eine andere Besonderheit besteht darin, daß die Schnelligkeit der Wiederherstellung der Durchlaßspannung an den Klemmen der gesteuerten Gleichrichter durch ein Tiefpaß- .
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filter begrenzt ist, das beispielsweise aus einer mit den gesteuerten Gleichrichtern in Serie liegenden Induktivitfät und einem Widerstand und einem in Serie geschalteten Kondensator besteht, welche parallel zu jedem Paar von gesteuerten Gleichrichtern (oder Gruppen) angeordnet und gegeneinander geschaltet sind·
Gemäß einer anderen Besonderheit ist die Ladespannung des Umschaltkondensators praktisch unabhängig von dem von dem Empfangsnets aufgenommenen Strom, und zwar dadurch, daß für den Kondensator und die in Serie geschaltete Induktivität solche Werte gewählt werden, daß der Scheitelwert» des Schwiagstromes des auf diese Weise gebildeten Kreises relativ groß ist und wenigstens das Doppelte des maximalen Wertes des von dem Empfangsnetz aufgenommenen Stromes beträgt·
Weitere Besonderheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben·
In dieser zeigens
Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines ISnwandlers gemäß der Erfindung, und
Fig. 2 die iDeilaasisht des Schaltbildes einer Ausführungsvariante, welche die Verringerung der Verluste ermöglicht*
Ih der Fig· 1 ist schematisch die Speisung eines Dreiphasen-Asynohronmotors dargestellt, dessen Statorwicklungen mit 1, 2, 3 bezeichnet sind, und dessen Kurzschlußläufer mit 4- bezeichnet ist. Wie dargestellt, erfolgt die Speisung aus einem Dreiphasennetz, dessen Phasen mit 5t 6, 7 bezeichnet sind, und zwar mittels eines Umwandlers gemäß der Erfindung«
Zur Vereinfachung der Zeichnung ist nur der zur Speisung der Phase 1 bestimmte Teil des Umwandlers dargestellt· Es ist offensichtlich, daß der entsprechende Teil der Phasen 2 und 3 daraus in identischer Weise abzuleiten ist.
Der Umwandler umfaßt drei Paare (oder Gruppen) von Haupt- ■ gleichrichtern, welche zwischen die Phasen 5i 6 und 7 des Speisenetzes und der Phase 1 des Empfängers geschaltet sind, und wird gebildet von den gesteuerten Gleichrichtern 8 und 9, 10 und 11, 12 und 13.
Jedes Paar (oder jede Gruppe) ist mit dem Speisenetz durch eine Induktivität wie Ί4·, 15 und 16 verbunden. Parallel zu jedem der Paare (oder Gruppe) sind ein Widerstand wie 17, 18 und 19 und ein in Serie geschalteter Kondensator wie 20, 21, 22 angeordnet.
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Die Steuerelekferoden wie 108,· 109, 110, 111, 112 und 113 r;äer gesteuerten Gleichrichter 8, 9, 10, 11, 12 und 13 sind mit einem Auswahlorgan 35 verbunden, das mit dem Speisenetz 5» 6, 7 verbunden ist, wie es für die Elektroden 108 und 109 dargestellt ist·
Jedes Gleichriobterpaar (oder Gruppe) ist mit einem Paar (oder Gruppe) von Löschgleichrichtern verbunden, die gegeneinander parallel geschaltet sind, und das einerseits mit den Phasen 5, 6, 7 des Speisenetzes über Induktivitäten 23, 24 und 25 und andererseits mit der Phase 1 des Empfängers über einen Umschaltkreis verbunden ist, der aus einer Kapazität 26 und einer in Serie geschalteten Induktivität 27 besteht· Parallel zu dieser Induktivität kann ein Widerstand 28 angeordnet sein·
Parallel zu den Paaren von Löschgleichrichtern wie 29 und 30, 31 und 32, 33 und 34 sind ein Widerstand wie 35, 36, 37 und ein in Serie geschalteter Kondensator wie 38, 39 und 40 angeordnet·
Die Steuerelektroden der Löschgleichrichter wie 129, 130, 131» 132, 133 und 134 sind mit dem Auswahlorgan 35 verbunden, wie es für die Elektroden 129 und 130 dargestellt isti
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Das Auswahlorgan 35 erhält Steuerimpulse von einem Modulator 37, der mit dem Speisenetz durch, den Kreis 36 synchronisiert und durch die Phase 39 eines dreiphasigen Piloten 38 gesteuert ist, dessen Phasen 40 und 41 zu den anderen Phasen des Umwandlers gehen» *
Die allgemeine Wirkungsweise des umwandlers und das Prinzip der Veränderung der an das Empf angsnetz abgegebenen Frequenz sind analog der Hauptanmeldung C 30 659·
Im Unterschied zu dieser Hauptanmeldung wird jedoch die Umschaltung über den von der Induktivität 27 und der Kapazität 26 gebildeten Kreis erreicht.
Im folgenden wird die Wirkungsweise schematisch beschrieben:
Wenn der gesteuerte Gleichrichter 8 als leitend angenommen wird, so ist die Spannung bei 42 praktisch gleich der Spannung der Phase 5t äie als positivste angenommen wird.
Der Kondensator 26 wird gleichermaßen als geladen angenommen, und zwar mit einer solchen Polarität, daß seine positive Belegung an 42 liegt.
Wenn ein Entblockierungsimpuls auf den gesteuerten Gleichrichter 30 und auf den gesteuerten Gleichrichter 9 gegeben wird, wirkt der Strom, der von dem aus der Induktivität
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und dem Kondensator 26 bestehenden Schwingkreis geliefert wird, dem Leitendwerden des Gleichrichters 8 entgegen und verringert den von der Last geforderten Strom. Der resultierende Strom dreht sich um und schließt sich über den Gleichrichter 9, wodurch die Polarisation des gesteuerten Gleichrichters 8 umgekehrt und sein Löschen sichergestellt wird· Dies seltzt selbstverständlich voraus, daß der von dem Schwingkreis gelieferte ScheiteIstrom ausreichend ist«
Am Ende dieses Zyklus sind die gesteuerten Gleichrichter 10 und 11 gezündet, welche mit der Phase 6, die als negativste angenommen wird, verbunden sind, und daher wird die negative Spannimg der Phase 6 an 42 gelegt.
Die Entladung des Kondensators 26 in der Induktivität 27 erzeugt eine Energiespeicherung und eine "umkehrung der Ladespannung des Kondensators 26, der dann zur Löschung des zu löschenden, gesteuerten Gleichrichters 11, dessen Läitrichtung der des Gleichrichters 8 entgegengesetzt ist, verwendet werden kann. Bei Zündung der Gruppe der gesteuerten Gleichrichter 10 und 11 wird jedoch über die Phasen 5 und 6 eine zusätzliche Zuladung auf die Kapazität 26 geliefert, wodurch es möglich wird, ihm wieder die Energie zu liefern, die in dem Entladekreis in Verlusten vergeudet wurde. Die Ladespannung des Kondensators 26 wird genügend negativ, um das Leitendsein des Gleichrichters 30 zu blockieren. Es liegt dann wieder die vorhergehende Situation
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vor, wobei die Gruppen der Gleichrichter 10 und 11 der Gruppe 10, 9 gefolgt ist. Die neue Umschaltung wird durch Zünden des Gleichrichters 31 gewährleistete
Gemäß der Erfindung "bewirken die folgenden Besonderheiten ein gutes Arbeiten des Umwandlers:
Die gemäß der Hauptanmeldung erhaltene Pendelspannung zur Steuerung des Leitendseins und des Mchtleitendseins der Gleichrichter ist in ixequenz und in Phase auf die Spannung des Speisenetzes synchronisierte
In einem Mehrphasennetz mit η Phasen wird die Pendel-Trägerfrequenz ein Yielfach.es von nf ^ sein, wobei f,, die Frequenz des Speisenetzes ist· Diese Synchronisation erfolgt in bekannter Weise durch den Kreis 36·
Die Frequenzvielfache von nf^ ist im 3PaIl eines Dreiphasennetzes mit 30 Hz beispielsweise 450 Hz.
Selbstverständlich ist die Schwingungsdauer des Schwingkreises sowie die Dauer des.Umschaltzyklus gering gegenüber der Periode der Pendel-Trägerfrequenz.
Die Verbindung der Phase zwischen der Trägerfrequenz und dem Speisenetz wird in der Weise realisiert, daß in dem Augenblick, in dem ein Wechsel der positivsten Phase (oder
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d»r negatiTeten) itattfindet, die mit den zwei betrach·- teten !basen verbundenen, gesteuerten Gleichrichter nicht beansprucht Bind.
Unter diesen Bedingungen wird die Vertauschung einer Phaie mit einer anderen so ausgeführt, daß jedes Leitendsein im Augenblick der Yertauschung vermieden wird« Auf diese Weise wird eine Unbestimmtheit vermieden, die sich einstellen könnte, wenn im Augenblick der Vertauschung eine Zündung gefordert wäre, und die eine Betriebsstörung zur folge hätte·
Sie !Frequenz des Empfangsnetzes ist durch den Piloten 38 bestimmt, der in einem Kreis 37» in der in der Hauptanmeldung beschriebenen Weise, die Steuerimpulse moduliert, die an die Sieichrichter über den Kreis 35 gelegt werden, der die Steuerimpulse entsprechend der positivsten Phase und der negativsten Phase zu den Gleichrichtern und an die entsprechenden Löschgleichrichter lenkt·
Bin vorher gelöschter, gesteuerter Gleichrichter kann die ffenndurchlaßspannung nur blockieren, wenn diese Spannung mit einer Geschwindigkeit /'dT wiederhergestellt wird, die auf einen maximalen Wert begrenzt ist, der für die zur Zeit verfügbaren Gleichrichter in der Größenordnung von 20 ToltAis liegt«
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Gemäß der Erfindung ist die Geschwindigkeit der Wiederherstellung der Spannung durch ein filter begrenzt;, das aus einer in Serie mit dem gesteuerten Gleichrichter liegenden Induktivität, die einen sehr geringen Wert besitzt, und einem Wider stand-E&ndensator-Net zwerk te steht 9 das parallel zu dem Thyratron liegt«
In der Figur weist das Filter für die Gleichrichter 8 und 9 die Drossel 14, den Widerstand 17 und den Kondensator 20 auf· Die zwei anderen Gleichrichterpaare umfassen die Filter 15, 18, 21 und 16, 19, 22.
Analoge Filter sind zum Schutz der gesteuerten Löschgleiehrichter angeordnete Diese Filter bestehen aus den Elementen (23, 35, 38), (24, 36, 39) und (25, 37, 40).
Die von der Zündung der Gleichrichter herrührenden steilen Anstiege der Spannung werden auf diese Weise gedämpft, und die ungewollte Zündung der anderen Gleichrichter wird vermieden. Der Geringe Wert der verwendeten Serieninduktivitäten stört den Betrieb nicht.
Die Ladespannung des Kondensators 26 kann vor teilhaft erweise praktisch unabhängig von dem vom Empfangsnetz aufgenommenen Strom gemacht werden» Bei Fehlen einer solchen Vorsichtsmaßnahme wächst die Ladespannung der Kapazität mit dem von dem Empfänger aufgenommenen Strom· Bei Umschal-
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tungen tritt diese Spannung /wieder an den Klemmen der kontrollierten Löschgleichrichter wie 29, 30, 31, 32, 33 mid 34 auf» In der Tat wird dann, wenn einer der Hauptgleichrichter wie 8, 9» 10, 11 und 12 und 13 leitend wird, die Spannung an den Klemmen des Kondensators 26 durch den entsprechenden Löschgleichrichter am Ende des Umschaltzyklus ausgehalten·
Die Dimensionierung der Löschthyratrons wird also durch diese Spannung definiert. Zur, Verkleinerung dieser Spannung wird der Schwingkreis 26, 27 gemäß der Erfindung so "bestimmt, daß der durch die Schwingungen erzeugte Strom relativ groß ist und wenigstens das Doppelte des maximalen Wertes des Stromes in der Last "beträgt·
Unter diesen Bedingungen bleibt die durch das Empfangsnetzwerk gelieferte Energie zufuhr in den Oszillatorkreis gering.
Unter Berücksichtigung der von den Verlusten der Elemente 26 und 2? des Oszillatorkreises herrührenden Dämpfung, die evtl. durch einen zur Induktivität 27 paralleler Widerstand 28 vergrößert wird, bleibt die Vergrößerung der Spannung an den Klemmen des Kondensators 18 in annehmbaren Grenzen,
■ ·■■ v:;u- · -■.... :o ■.·-..
Erfindungsgemäß kann zur Vermeidung der Verluste, insbesondere in den Einrichtungen mit großer Leistung, als Varian-
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te ein zusätzlicher Zyklus vorgesehen werden, um in dem Fetz den durch, den Kondensator 26 im Verlauf der tung ge speicherten !nergieüberschuß wiederherzustellen·
In der Fig. 2 ist das entsprechende Schaltbild teilweise dargestellt, und dabei sind die zu den Elementen der lig· 1 identischen Elemente mit den gleichen Hummern bezeichnet. Der nicht dargestellte Teil des Schaltbildes ist mit dem der Fig« 2 identisch·
Sie Spannung an den Klemmen des Kondensators 26 ist auf einen Wert "begrenzt, der vorzugsweise gering über der verketteten Spannung des Netzes liegt, indem am Ende des Wiederladezyklus der Kapazität ein gesteuerter Gleichrichter gezündet wird·
Zu diesem Zweck sind drei Gruppen von gesteuerten Gleichrichtern, nämlich a und b, c und d, e und f, jeweils gegeneinander zwischen die- gemeinsame Klemme der Kapazität 26 und der Induktivität 27 und die drei Phasen 5», 61, 71 geschaltet, welche die Phasen 5ι 6» 7 der Speisung des Umwandlers sein können, aber welche vorzugsweise Spannungen sind, die -gering höher (iiiier Größenordnung von 20 %) und in Phase sind. Diese Spannungen können dadurch erhalten werden, daß geeignete Abgriffe an dem Speisetransformator des Umwandlers vorgesehen werden·
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Di· erwähnten Gruppen umfassen gleichermaßen eine Drossel 1 in Berie uad parallel zu ;)·<3.<5Γ Gruppe einen Widerstand r und eine in Serie liegende Kapa*ität Ic.
GemäS einer beversugben Auafünrungaform, deren 2SjLeI die Törderung der Itöechung der gesteuerten aieichrichter ißt, wird die Phase de« Anfängers direlcb mit der Induktivität 27 verbünde», wobei der Kondensator 26 awiechen diese InduktiTität und die gesteuerten Läechgleiohrichter 29, 30» 31, 3V33,'3&eft*o]ultt«
Die Torriohtung arbeitet folgendermaßen!
Tonn dl· gleichen Annahmen getroffen werden wie für die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß der I1Ig* 1, so wird bei Löschung des gesteuerten Gleichrichters 8 am Ende des Wiederladezyklus des Kondensators 26 der Gleichrichter c, der mit der negativsten Phase 6* (entsprechend 6) verbunden ist, gezündet»
Praktisch genügt es, diesen Gleichrichter zur gleichen Zeit zu zünden wie die gesteuerten Gleichrichter 10 und 11, denn er leitet so lange nicht, wie seine Kathoden-Anoden-Spannung negativ "bleibti -
Sobald die Spannung an den Klemmen negativer wird als die Spannung der Phase 6', leitet der gesteuerte Gleichrichter c
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und "begrenzt auf diese Weise die Ladung de« Kondensators 26 und als Folge davon die Spannung, indem er im Sp ei Benetz äen in der Induktivität 2? weiterbestehenden lnergi·- übersehuß wiederherstellt«
Der Überschuß der Spannung von 6* über die Spannung von 6 verteilt sieh auf die Gleichrichter 30 und e und gewährleistet auf diese Weise ihre Löschung, wenn einmal die
Drossel 2? entladen ist«
Obgleich die Erfindung in besonderer Weise für Umwandler bestimmt ist, die direkt ohne Umweg über den Gleichstrom Wechselstrom der Frequenz f. in Wechselstrom der !frequenz ±2 wandeln, so kann die Erfinsung gleichermaßen bei Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlern angewendet werden, und insbesondere können die Vorrichtungen verwendet werden, die ' sich auf die Begrenzung der Geschwindigkeit der Wiederherstellung und auf die Ladespannung des Kondensators
des Löschkreises beziehen·
- Patentansprüche -
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    Τ)umwandler nach Patent ..........(Patentanmeldung C 30 659), der .insbesondere zur dixekten Umformung eines Wechselstromes der Frequenz f ^ in einen Wechselstrom der Frequenz f 2 bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Speisung jeder Phase des Empfangsnetzes- einen Umschalter aufweist, der von ebensoviel Gruppen von gesteuerten Gleichrichtern gebildet wird als Phasen des Speisenirtz.es vorhanden sind, wobei jede Gruppe zwei gesteuerte Gleichrichter umfaßt (oder zwei Gruppen von in Serie geschalteten Gleichrichtern), die parallel gegeneinander geschaltet sind, daß das Löschen der Gleichrichter mittels eines Hilfskreises mit gesteuerten Gleichrichtern erfolgt, der mit dem Verbindungspunkt der Phase des betrachteten Bapfamgsnetzes durch einen Umschaltkondensator und eine in Serie liegende Induktivität verbunden ist, und daß die Umschaltung mittels Impulses erfolgt, die durch einen Pilotgenerator erzeugt werden und die Impulse in Frequenz und in Phase von der Spannung des Speisenetzes mittels eines Steuerorgans gesteuert sind·
  2. 2. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung bei der positivsten und der negativsten Phase stattfindet, und daß die Steuerung der Steuerimpulse gemäß Anspruch 1 so ausgeführt ist,
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    daß 3ede Umschaltung im Zeitpunkt des Wechsels der positivsten oder der negativsten Phase vermieden wird.
  3. 3. Umwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schnelligkeit der Wiederherstellung der Durchlaßspannung an den Klemmen der gesteuerten Gleichrichter durch ein Tiefpaßfilter "begrenzt ist, das beispielsweise aus einer zu den gesteuerten Gleichrichtern in Serie geschalteten Induktivität und einem Widerstand und einem in Serie geschalteten Kondensator besteht, welche parallel zu jedem gegeneinander geschalteten Gleichrichterpaar (oder Gruppen) angeordnet sind·
    4· Umwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladespannung des Umschaltkondensators gemäß Anspruch 1 praktisch unabhängig von dem von dem Empfangsnetz aufgenommenen Strom ist, indem für den Kondensator und die in Serie liegende Induktivität solche Werte gewählt sind, daß der Scheitelwert des Schwingstromes des auf diese Weise gebildeten Kreises relativ groß im Verhältnis zu dem Strom ist, der durch das Empfangsnetz aufgenommen wird .
    5· Umwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
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    gekennzeiahne tf daß der Umwandler einen Kreis zur Begrenzung der von dem Umschaltkondensator aufgenommenen Energie aufweist, welcher die Energieergänzung für das Netz wiederherstellt, wobei der Kreis drei Gruppen von gesteuerten Gleichrichtern für jede Phase des Empfängers aufweist und jeweils wenigstens zwei gegeneinander geschaltete, gesteuerte Gleichrichter "besitzt lind ^ede Gruppe zwischen die gemeinsame Klemme des Kondensators und der Umschaltinduktivität und eine Phase des SpeiseiEbz.es geschaltet ist, dessen Spannung vorzugsweise gering über derjenigen liegt, die an die Umwandleranordnung gelegt isto
    6· Umwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß die Phase des Enapf ängers direkt mit der Umschalt induktivität verbunden ist, und daß der Umschaltkondensator zwischen diese Induktivität und die gesteuerten Löschgleichrichter geschaltet isto
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