DE2240738A1 - Spannungsregler fuer eine gleichstromquelle - Google Patents
Spannungsregler fuer eine gleichstromquelleInfo
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Description
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Osaka-fu / Japan
Spannungsregler für eine Gleichstromquelle
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsreglex
für eine Gleichstromquelle und insbesondere für eine Gleichstromquelle
der Art,wie sie in einem einphasigen Wechselstroin-Brückengleichrichter
verwendet wird.
In einer bekannten Gleichstromquelle, bei der gesteuerte Silizium-Gleichrichter,
die im folgenden als "SCR"-Gleichrichter bezeichnet werden, zu einer Gleichstromschaltung eines
einphasigen Wechselstrom-Brückengleichrichters geschaltet, sind,
309809/0849
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um den Zünd- oder Auslösewinkel zu steuern, wodurch die Verbraucherspannung
geregelt wird, sind im allgemeinen zwei SCR-Gleichrichter verwendet, um das Abschalten der SCR-Gl ei ehr ich-»-
ter .sicherzustellen. Wenn nur ein SCR-Gleichrichter verwendet
wird, können in Abhängigkeit von der Frequenz und der Spannung der Wechselstromquelle beim Abschalten des SCR-Gleichrichters
Fehler vorkommen.
Durch die Erfindung sind die bei der bekannten, vorbeschriebenen
Gleichstromquelle aufgetretenen Mangel beseitigt. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine sättigbare Drossel in
Reihe in eine Wechselstromschaltung eines einphasigen Drückengleichrichters geschaltet.
Die Erfindung schafft also einen Spannungsregler für eine Gleichstromquelle, bei der ein gesteuerter Siliziumgleichrichter
in Reihe mit einer Gleichstromschaltung eines einphasigen Wechselstrom-Brückengleichrichters derart geschaltet ist, daß
die Phase des Zündwinkels gesteuert werden kann, um die Verbraucherspannung zu regeln; hierbei ist eine sättigbare Drossel
in Reihe in die Wechselstromschaltung des Brückengleichrichters geschältet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert, wozu auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird. Es zeigen:
Fig.i ein Schaltbild der bekannten, einphasigen Brtickenpha-
- 3 309809/0849
sen- Regelschaltung mit einem SCR-Gleichrichter für einen
fremderregten Gleichstrommotor; ;
Fig.2 ein Schaltbild einer einphasigen Brückenphasen—Regelschaltung
gemäß der Erfindung, die hei einem fremderregten Gleichstrommotor verwendet ist; und
Fig.3A his Fig.3F Wellenformen an verschiedenen Stellen der
in Fig.2 dargestellten Schaltung^um damit ihre Arbeitsweise zu erläutern.
Vor der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird die bekannte, einphasige Brückenphasen-Regelschaltung
kurz beschrieben, um im einzelnen auf die bei der bekannten Schaltung aufgetretenen Schwierigkeiten hingewiesen.
Bei der bekannten einphasigen Brückenphasen—. Regelschaltung für Gleichstrommotore werden im allgemeinen zwei
SCß-Gleichrichter verwendet. Die Phasenregelschaltung der bekannten
einphasigen Brücke mit nur einem SCR-Gleichrichter neigt zu Fehlzündungen, was zu Schwierigkeiten bezüglich der
Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit der Schaltung führt. Die vorliegende Erfindung schafft daher eine Phasenregelschaltung
mit nur einem SCR-Gleichrichter, die im Aufbau einfach und im Betrieb zuverlässig ist, und bei der das Fehlbzw.
FaIschzünden beseitigt ist.
In Fig.l ist eine einphasige Wechselstromquelle 1 mit zwei
Wechselstromanschlüssen einer Diodenbrücke verbunden, die'
- k -9809/0849
Dioden 2, 3» ^ und 5 aufweist. Parallel zu einer Peldwick- i
lung 6 eines Gleichstrommotors, der an die positiven und ne- - .
gativen Anschlüsse der Diodenbrücke angeschlossen ist, ist
ein in Durchlaßrichtung geschalteter SCR-Gleichrichter und
ein Anker 8 des Gleichstrommotors geschaltet. Eine Diode 9
ist in Sperrichtung parallel zu dem Anker 8 geschaltet, um
eine Energie-Umlaufschaltung zu schaffen, in der die in der !
Wicklung des Ankers 8 gespeicherte induktive Energie umläuft,
wenn der SCR-Gleichrichter 7 abgeschaltet ist.
■ . ■- ι
Bei Betrieb wird der von der Wechselstromquelle i zugeführte
Wechselstrom durch den Yollweg-Diodenbrücken-Gleichrichtcr j
gleichgerichtet und an die Feldwicklung 6 mit einer größeren .
Induktivität angelegt. Der SCR-Gleichrichter 7 wird bei einem
geeigneten Phasenwinkel leitend, so daß dem Anker 8 Energie !
zugeführt wird. Wenn die Belastung groß ist, fließt der Anx /
kerstrom in der nächsten Halbperiode, nachdem der SCR-Gleieh-
richter 7 leitend ist. In einem solchen Fall können die SCR- j Gleichrichter ohne Schwierigkeit abgeschaltet werden, wenn
zwei SCR-Gleichrichter in der Gleichstromschaltung verwendet !
werden. Bei der bekannten, in Fig.i dargestellten Schaltung
wird es aber schwierig den SCR-Gleichrichter 7 wirksam in )
Abhängigkeit von der Spannung und der Frequenz der Stromquel- (
Ie abzuschalten, wie im einzelnen später noch beschrieben /
wird, so daß die in Fig.i dargestellte Schaltung in der Pra- j
xis nicht in großem Umfang verwendet worden ist. Wenn die (
Last bzw. die Belastung groß ist, wird der SCR-Gleichrichter |
7 auf folgende Weise abgeschaltet. Zuerst werden die Zustände )
>■■·■.■'■■(.
in dem Zeitabschnitt betrachtet, während dem der Spannungs- ι
309809/0849 -5- · ^
wert der an die einphasige Wechselstrora-Brückenschaltung an- ,
gelegten Versorgungsspannung nahe bei null ist, das heißt also
der Zeitabschnitt, wo die Polarität der Spannung der Ifeclisei stromquelle sich von positiv in negativ oder von negativ
in posistiv ändert. In diesem Zeitabschnitt kann der Peldstrom im wesentlichen als konstant angesehen werden. Wenn
der Versorgungs strom mit I, der Peldstrom mit I1-, und der An-
S Sr
kerstrom mit I. bezeichnet wird, dann ergibt sich die folgende Beziehung, wenn der SCR-Gleichrichter 7 leitend-ist:
= 1P + 1A
Wenn sich die Polarität der Versorgungsspannung ändert, dann
gilt für den Wechselstrom I der Stromquelle::
KK 1P + 1A
Zu dem Zeitpunkt, zu dem der vorerwähnte Zustand eintritt, beginnt wegen der Induktivität des Ankers 8 der Strom durch
die aus dein Anker 8 und der Diode 9 bestehenden Schaltung so zu zirkulieren, daß der Ankerstrom I. die Abnahme des Stroms
I der Wechselstroiuquelle ergänzt bzw. vervollständigt und
der Versorgungsstrom zum Anker 8 von der Versorgungsquelle 1
auf null abnimmt. Wenn dann der Strom Il !kleiner ist als
der Strom Ip, dann bewirkt die Induktivität der Feldwicklung
6, daß der Strom durch die aus der Feldwicklung 6 und den in Reihe geschalteten Dioden 2 und 3 oder 1I und 5 der Diodenbrücke
bestehenden Schaltung zirkuliert, um die Stromabnahme
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des Feldstroms Ip von der Wechselstromquelle 1 aus zu ergänzen.
In diesem Fall liegt dann an dem SCR-Gleichrichter 7 die Gegenspannung -Vd an, die der Spannungsabfall zwischen der
Anode und Kathode einer Diode ist, wenn diese leitend ist.
Wenn der negative Anschluß der Gleichstromschaltung als Bezugspunkt genommen wird, zirkuliert der Strom, der dem fehlenden
Strom in dem Feldstrom Ip entspricht, durch die zwei in Reihe geschalteten Dioden des einphasigen Brückengleichrichters,
so daß der Spannungsabfall -2Vd ist. Das Potential an der Kathode des SCR-Gleichrichters 7 beträgt wegen des umlaufenden
Ankerstroms I. -Vd, so daß die Gegenspannung -Vd an der Anode:des SCR-Gleichfcichters 7 bezüglich deren Kathode
angelegt ist. Der SCR-Gleichrichter 7 wird dann abgeschaltet. Der Zeitpunkt, zu dem' Gegenspannung an den SCR-Gleichrichter
7 angelegt wird, ist der Zeitpunkt, zu dem der Feldstrom Ip
kleiner als der Strom |I I ist, der durch den einphasigen Brückengleichrichter zirkuliert, und ist weiterhin gleich dem
Zeitpunkt, zu dem die Spannung der Wechselstromquelle zwischen
+2Vd und -2Vd liegt. Wenn die Spannung an dem oberen Anschluß der Wechselstroraquelle I bezüglich des unteren Anschlusses
+2Vd beträgt, dann fließt der Speisestrom I0 über die Diode 3
in die Feldwicklung 6, so daß deren Kathodenspannung +Vd und
deren Anodenspannung +2Vd ist. Wenn die Reaktanzspannung infolge der Abnahme des Feldstromes beinahe null ist, dann beträgt
die Spannung an der Anode der Diode k +Vd, und der Speisestrom
I fließt über die Diode k in den unteren Anschluß
der Wechselstromquelle 1, der auf einer Spannung null liegt. In dieeem Fall wird eine geringe Reaktanzspannung an der Felrt-
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wicklung 6 erzeugt, so daß der zirkulierende Strom über den einphasigen Brückengleichrichter zu fließen beginnt» Wenn die
Spannung an dem oberen Anschluß der Wechselstromquelle 1 -2Vd
bezüglich des unteren Anschlusses beträgt, so daß die Zirkulation des Feldstroiaes Ip zum Stillstand gebracht ist, dann
kann die Zeit, wenn der StromJI | kleiner als der Strom I
ist, als eine kurze Zeitspanne betrachtet werden, wenn sich die Spannung der Wechselstromquelle 1 von +2Vd in -2Vd ändert.
Diese Zeit wird kurzer, wenn die Spannung und die Frequenz der Wechselstromquelle 1 größer werden. Wenn diese Zeit
kurzer als die Abschaltzeit des SCR-Gleiehrichters 7 ist,
dann wird die Fälligkeit des SCR-Gleiehfcichters 7, den Stromfluß
in Durchlaßrichtung zu unterbrechen, nicht wiedergewonnen, so daß der SCR-Gleichrichter von anfang an leitend ist
und damit die Phasensteuerung des SCR-Gleichrichters 7 uninöglieh
wird. Die vorliegende Erfindung ist geschaffen worden,
um den Abschaltfehler des SCR-Gleichrichters 7 zu beseitigen.
In Fig.2 ist das Schaltbild einer Phasenregelschaltung der
einphasigen Brückenschältung gemäß der Erfindung dargestellt,
die in Verbindung mit einem fremderregten Gleichstrom-Nebenschlußmotor
verwendet ist. Die Schaltungselemente, die den in Fig.l verwendeten entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet. Die in Fig.2 dargestellte Phasenregelschaltung unterscheidet sich von der in Fig.1 dargestellten dadurch,
daß eine sättigbare Drossel iO zwischen die Wechselstroinquel-Ie
1 und die Diodenbrücke geschaltet ist. Anstelle der sättigbaren Drossel iO kann eine übliche nicht sättigbare Drossel .,
; 30S8Ö9/Ö64Ö _~8-_
▼erwendet werden, vorzugsweise wird aber eine sättigbare Dros
sel 10 verwendet, um die Steuerung mit einem kleinen Strom
erzielen.
In den Pig.3A bis 3F sind Wellenformen an verschiedenen Punkten
der in Fig.2 dargestellten Schaltung wiedergegeben. In Fig.3A ist die Wellenform der Spannung der Wechselstromquelle
i dargestellt. In Fig.3Bist die Wellenform der Eingangsspannung dargestellt, die dem einphasigen Brückengleichrichter
über die sättigbare Drossel 10 zugeführt wird. In Fig.3C
ist die Wellenform der Ausgangsspannung des einphasigen BrUIckengleichrichters
dargestellt. Während der anfänglichen Perioden von tA1 bis tßl, von tA2 bis tg2 und von t._ bis t„_
der Halbperioden findet die Polaritätsumkehr des Wechselstroms wegen der sättigbaren Drossel iO schrittweise bzw. allmählich
statt. Während dieser Zeitintervalle erzeugt die sättig— bare Drossel 10 die Induktionsspannung, die im wesentlichen
gleich dem Anstieg der Wechselspannung ist, so daß die Spannung zu diesen Zeitintefvallen im wesentlichen gleich null ist.
Die Spannung, deren Wellenform in F£gv3C dargestellt 1st,
wird an die Feldwicklung 6 angelegt, und durch sie fließt wegen ihrer Induktivität ein konstanter, geglätteter Feldstrom,
Zum Zeitpunkt tD1 wird der SCR-Gleichrichter 7 leitend, j
so daß die Speisespannung an den Anker 8 angelegt wird. Wenn ■
kein Ankerstrom durch den Anker β fließt, wird eine seiner f
Drehzahl proportionale gegenelelctromotorische Kraft erzeugt.
Die Wellenform der Ankerspannung istin Fig.3D und die Wellenform
des Ankerstroms in Fig.3E dargestellt. Die Wechselstrom-
309809/0849 ~9~
quelle 1 muß aber nicht nur den konstanten Feldstrom an die
Feldwicklung 6 in der Gleichstromschaltung, sondern auch den Ankerstrom liefern. In der Praxis fließt daher ein Wechsel-'-'
strom, dessen Wellenform in Fig.3F dargestellt ist. Vom Zeitpunkt tR. bis zum Zeitpunkt tni wird ein konstanter Feldstrom
zugeführt; wenn der SCR-Gleichrichter 7 zum Zeitpunkt tDi
leitend wird, wird Ms zum Zeitpunkt t.2 der Ankerstrom eingespeist.
Zum Zeitpunkt t.o besteht der Feldstrom aus dem von
der Stromquelle 1 über die sättigbare Drossel 10 zugeführten Strom und dem Umlauf strom, der durch die aus der Feldwicklung";
6 und aus den in Reihe geschalteten Dioden 2 und 3 oder h und
5 des einphasigen Brückengleichrichters bestehenden Schaltung zirkuliert. Der Ankerstrom ist der abnehmende Strom, der durch
die aus dem Anker 8 und der Diode 9 bestehenden Schaltung zirkuliert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gegenspamiung an den
SCR-Gleichrichter 7- in einer Art angelegt, die im wesentlichen
gleich der in Verbindung mit Fig.l beschriebenen ist, so daß der SCR-Gleichrichter 7 abgeschaltet wird. Die Spannung
an der Anode des SCR-Gleichrichters 7 beträgt bezüglich des negativen Anschlusses des einphasigen Brückengleichrichters
-,2Vd, da der Feldstrom durch die aus der Feldwicklung 6 und den zwei in Reihe geschalteten Dioden des Gleichrichters bestehenden
Schaltung zirkuliert. Da der Ankerstrom durch die Diode 9 zirkuliert, wird die Kathodenspannung des SCR-Gleichrichters
7 bezüglich des negativen Anschlusses -Vd. Infolgedessen wird die Gegenspannung -Vd an der Anode des SCR-Gleichrichters
7 bezüglich dessen Kathode von dem Zeitpunkt t.2
bis zu dein Zeitpunkt tß2 angelgt, so daß der SCR-Gleichrich-
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ter 7 abgeschaltet wird.
Zum Zeitpunkt tR2 ist der Speisestrom der Wechselstromquelle
gleich dem Feldstroni und liefert den Feldstrom. Da der Feldstrom beinahe konstant ist, erzeugt die sättigbare Drossel
keine Reaktanzspannung, so daß die postitive Spannung, die durch den einphasigen Brückengleichrichter auf der Wccheelstroraseite
gleichgerichtet ist, an die Anode des SCR-Gleichrichters 7 angelegt wird. Wenn das Zeitintervall von dem
Zeitpunkt t.„ an bis zu dem Zeitpunkt tß2 hinreichend länger
als die Abschaltzeit des SCR-Gleichrichters 7 ist, dann ist
die Schwierigkeit infolge von Fehl- oder Falschzündungen beseitigt; der SCR-Gleichrichter 7 bleibt in nichtleitendem
Zustand, bis das Zünd- oder Auslösesignal zum Zeitpunkt t,)£)
angelegt wird.
Venn die sättigbare Drossel 10 mit einem Strom gesättigt wird, der größer als der Fcldstrom ist, weist sie die Induktivität auf, wenn der SCR-Gleichrichter 7 zum Zeitpunkt tn1
leitend ist, so daß die Speisewechselspamiung nicht unmittelbar an den Anker 8 angelegt ist, sondern die Speisewcchselspannung
durch die sättigbare Drossel 10 geteilt wird, wodurch sich der Abfall in der Spannung ergibt, die an den Anker
8 angelegt ist. Wenn daher die Induktivität der sättigbaren Drossel 10 zu groß ist, wird es sclwierig, daß der SCR-Gleiührichter
7 leitend wird. Infolgedessen wird vorzugsweise eine sättigbare Drossel verwendet, die mit eijuera Strom gesättigt
werden kann, der kleiner als der Feldstrom ist. Wenn
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eine solche sättigbare Drossel verwendet ist, ist das Zeitintervall
von dem Zeitpunkt t.k bis zu dem Zeitpunkt tß2
gleadi der Sättigungszeit t der sättigbaren Drossel 10. Auf
diese Weise ist es dann möglich, die sättigbare Drossel IO
so auszulegen, daß die minimale aber ausreichende Zeit zum Anlegen der Gegeilspannung an den SCR-Gleichrichter 7 bestimmt
werden kann. Venn sich der Fluß 0 (in Weber) in t Sekunden von dem positiven gesättigten Wert +0 in den negativen ge—
sättigten Wert -0 'ändert, die Windungszahl der sättigbaren Drossel 10 N (Windungen) ist und die an der sättigbaren Drossel
induzierte Spannung θ (ν) ist, dann ergibt sich folgende Beziehung:
θ s -N d0 / dt
Dies ergibt:
Dies ergibt:
.0N= i/2/ 8Q dt.
s 0 s.
Das Glied θ ist im wesentlichen gleich der zunehmenden Spannmig
der einphasigen Wechselstromquelle 1; das rechte Glied stellt die Spannung dar, die der sättigbaren Drossel 10 in
t_ Sekunden zugeführt wird. Wenn ein geeigneter Wert für die Windungszahl N gewählt wird, läßt sich aus dem Ausdruck 0 N
der Fluß 0o bestimmen. Wenn der Wert für den Fluß 0 gewählt
s s
wird, können die Schnittfläche und die>
Kenndaten des verwendeten Kerns sowie der Sättigungsstroni der sättigbaren Drossel
bestimmt werden. Der sättigbare Kern 10 kann daher so ausgelegt werden, daß der SCR-Gleichrichter 7 eine ausreichende
Abschaltzeit aufweist. Wenn die Last oder die Belastung so
klein ist, daß der Ankerstrom zwischen dem Zeitpunkt tA2 und
309809/0849 _-i2
dem Zeitpunkt t„„ null wird, dann ist die Spannung -2Vd an
der Anode des SCR-Gleichrichters 7 bezüglich des negativen
Anschluß der Gleichstromschaltung angelegt, während die der Drehzahl proportionale, positive gegenelektromotorische Kraft
an der Kathode angelegt ist. Die Gegenspannung ist daher für eine ausreichende Zeit an der Anode angelegt, bis die Spannung
der Quelle größer ist als die Kathodenspannung, so daß, selbst wenn die Durchlaßspannung an dem SCR-Gleichrichter 7
angelegt ist, ein Fehlzünden verhindert werden kann.
Die insoweit beschriebene, einphasige DrUckenphasen-Hegelschaltung
kann in einer Schaltung verwendet werden, in der eine Drossel anstelle der Feldwicklung 6 und ein Widerstand
oder eine induktive Last anstelle des Ankers 8 verwendet ist.
In der in Fig.l dargestellten Phasenregelschaltung mit nur
einem SCR-Gleichrichter 7 schaltet dieser SCR-Gleichrichter während des Betriebs nicht zuverlässig ab. Wenn die Schaltung
zur Regelung eines Gleichstrommotors verwendet wird, und wenn die an dem Anker induzierte gegenelektromotorische Kraft im
Vergleich zu der Drehzahl klein ist oder wenn die Spannung und außerdem die Frequenz der Quelle hoch sind, besteht die
Gefahr, daß an den SCR-Gleichrichter nicht für eine ausreichend lange Zeit eine Gegenspanming angelegt ist, um den
SCR-Gleichrichter abzuschalten. Wenn Frequenzverhalten bzw. der Frequenzgang des gesteuerten Silizium-Gleichrichters
schlechter ist und wenn die einphasige Brücke aus Dioden besteht, deren Spannungsabfall in Durchlaßrichtung gering ist,
- 13 309809/0849
dann fülirt dies zu einem Ausfall beim Abschalten des SCR-Gleichrichters,
so daß der Motor in der nächsten Halbperiode mit der vollen Leistung versorgt wird, woraus sich dann eine
"Regelungsschwankung ergibt. Die in Fig.l dargestellte Schaltung
ist aus diesem Grund in der Praxis auch nicht in großem Rahmen verwendet worden. Wenn aber gemäß,der Srfindurg die
sättigbare Drossel 10 eingeschaltet ist, wie in Pig,2 dargestellt ist, dann kann der SCR-Gleichrichter 7 eine ausreichende
Abschaltzeit besitzen, womit die Schwierigkeit infolge von Fehlzündungen überwunden ist. Da nur ein gesteuerter Si—
liziumgleichrichter verwendet wird, braucht nur eine einphasige Brückenphasen-Regelschaltung vorgesehen sein, die im Auf
bau einfach, billig und betriebssicher ist.
Wenn eine Drossel anstelle der Feldwicklung 6 in der Gleich—
stromachaltung vorgesehen ist, so daß ein konstanter Strom fließen kann, ist die einphasige Zweiwegregelung der induktiven
oder ohrasehen Last möglich, . · . .
Patentansprüche
- 14 -
3G9809/0849
Claims (2)
- PatentansprücheΛ,'./"Spannungsregler für eine Gleichstromquelle, g e k e η η zeichnet durch einen gesteuerten Siliziumgleichrichter (7)» dessen Anode an den positiven Anschluß einer Gleichstromschaltung eines einphasigen Wechselstrom-Brückengleichrichters (2 bis5) angekoppelt ist, durch eine Verbraucherschaltung, die zwischen die Kathode des gesteuerten Siliziumgleichrichters (7) und den negativen Anschluß des Brückengleichrichters (2 bis 7) geschaltet ist, durch eine Wicklung oder Drossel (6), die an die positiven und negativen Anschlüsse des Brückengleichrichters angekoppelt ist, durch einen Gleichrichter (9)1 der parallel in Sperrichtung zu der Verbraucherschaltung geschaltet ist, und durch eine sättigbare Drossel (1O)1 die in Reihe mit der Wechselstromschaltung des Brückengleichrichters (2 bis 5) geschaltet ist.
- 2. Spannungsregler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucherschalturg eine Ankerwicklung (8) eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors ist, und daß die Wicklung die Feldwicklung (6) des Gleichstrom-Nebenschlußmotors ist.3· Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die sättigbare Drossel (lO) mit einem Sättigungsstrom gesättigt wird, der kleiner als der Sättigungsstrom der Feldwicklung (6) ist.309809/0840"4ΓLeerseite
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