DE1538270A1 - Statischer Frequenzumformer fuer drehzahlgesteuerte Drehstrommotoren - Google Patents
Statischer Frequenzumformer fuer drehzahlgesteuerte DrehstrommotorenInfo
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Description
comb. ■■■ ■«
Aktiengesellschaft Brown, Boverl 4 CIe., Baden (Schweiz)
Es Is^ bekannt, Drehstrommotoren in Ihrer Dihzahl durch
Variieren der Speisefrequenz zu steuern. Heute werden zur Erzeugung der variablen Frequenz vorzugsweise statische,
mit Thyrlstpren bestückte Frequenzumformer benützt. Besonders
geeignet für die stufenlose stetige Frequenzsteuerung ist die bekannte Umrichterschaltung mit Gleichstromzwischenkreis,
besteimd aus einem Gleichrichter, welcher vom Drehstromnetz
konstanter Frequenz her einen selbstgefUhrten Wechselrichter mit Gleichstrom versorgt. Ein günstiges
Drehmomentverhalten des angespeisten Motors erhält man bei
konstantem Kraftfluss im Motor, Soll der Kraftfluss konstant
bleiben, so muss der Wechselrichter bei konstanter Gleichspannung so gesteuert werden, dass die abgegebene Spannung
mit steigender Frequenz frequenzproportional zunimmt. Bei einem Wechselrichter, dessen Phasen sich ohne Totzelt ab-
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lösen, ist die Grosse der Ausgangsspannung des Wechselrichters
frequenzunabhängig, d.h. konstant. Eine Steuerung der abgegebenen Wechselspannung ist nur möglich, wenn zwischen
Löschen eines Ventilzweiges und Zündung des nächstfolgenden Zweiges eine frequenzabhängige Totzeit geschaffen
wird. Löscht man den gezündeten Thyristor zum Beispiel nach einem frequenzunabhängigen, festen Zeitintervall vor
dem Zünden der nächsten Phase, so bleibt die Spannungszeitfläche
der abgegebenen Spannung des Wechselrichters und damit auch der Motorfluss, unabhängig von der Frequenz, konstant.
Es sind Schaltungen bekannt, bei denen zu diesem Zweck jeder Wechselrichterphase ein Löschthyristor zugeordnet
ist, welcher nach einem festen Zeitintervall den Hauptthyristor löscht. Solche Schaltungen sind verhältnismässig
aufwendig, weil zusätzliche Löschthyristoren und eine kompliziertere Steuereinrichtung benötigt wird. Die Lösung mit
Löschthyristoren wird sich deshalb nur bei grösserer Motorleistung
durchsetzen können, nicht aber bei kleineren und mittleren Käfigankermotoren, bei denen der Aufwand für die
frequenzproportionale Ausregelung der Motorspannung gegenüber dem Motorpreis verholtnisraässig stark ins Gewicht fält.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein statischer
Prequenzformer für drehzahlgesteuerte Drehstrommotoren, der ohne zusätzliche Regelung eine dreiphasige Wechselspannung
konstanter Spannungszeitfläche abgibt. Djsser statische Frequenzumformer
für drehzahlgesteuerte Drehstrommotoren, bestehend aus einem in der Frequenz steuerbaren Wechselrichter,
der den Motor anspeist und der über einen Gleichrichter an das Drehstroranetz konstanter Frequenz angeschlossen
ist, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den steuerbaren Wechselrichterventilen Löschkreise vorgesehen sind,
welche durch Zündung des parallelen Wechselrichterventils ausgelöst werden und dieses Ventil nach einem frequenzunabhängigen
Zeitintervall selbsttätig löschen, und dass Jeder Löschkreis aus einem mit einer Sättigungsdrossel in
Serie geschalteten Löschkondensator besteht, welcher während der Leitzeit des parallelen Wechselrichterventils die
Sättigungsdrossel ummagnetisiert und nach einer der von der Sättigungsdrossel aufgenommenen Spannungszeitfläche
entsprechenden Zeit das parallele Wechselrichterventil durch einen Entladeimpuls löscht, sodass die Leitdauer
des Wechselrichterventils und die durch den Wechselrichter auf den Motor abgegebenen Spannungszeitflachen frequenzunabhängig
bleiben.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird an
Hand der beiliegenden Zeichnungen im Folgenden erläutert.
Figur 1 stellt das Schaltbild des Wechselrichterteils dieses
AusführungEbeispieles dar.
Figur 2 stellt die Hysteresisschleife der Sättigungsdrosseln
von Figur 1 dar. _.
ßAD ORIGINAL
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. Tb38*/U
Figur 2 stellt eine erete Variante des Ausführungsbeispieleß
von Figur 1 dar.
Figur 4 stellt eine zweite Variante des Ausführungsbeispieles
von Figur 1 dar.
Figur 5 stellt die Hystereseschleife nach, einer weiteren
Variante dar.
Die in Figur 1 dargestellte Wechselrichterschaltung wird
vom Drehstromnetz über einen nicht dargestellten Anpasstransformator
und Siliziumdioden,in Drehstrorabrückenschaltung
mit einer konstanten Gleichspannung versorgt. Der Wechselrichter
besteht aus sechs Thyristoren 1 - 6, welche in Dreh trombrückensehaltung wechselstromseitig mit den Klemmen
des Drehstrom-Kurzschlussankermotors 7 und gleichstromseitig über Sperrdrosseln 8 mit den beiden Polen des speisenden
Gleichrichters verbunden sind. Die sechs Thyristoren 1.-6 werden mit kurzen Steuerimpulsen eines 6-Phasensteuersatzes
gezündet. Die Impulsfolgefrequenz des Steuersatzes
ist einstellbar, so dass der Motor über den Wechselrichter
mit in weiten Grenzen verstellbarer Frequenz gesteuert werden
kann. Im Betrieb ist in jedem Zeitmoment nur einer der
Thyristoren 1, J5, 5 und nur einer der Thyristoren 2, h, 6
stromführend. Der vom Gleichrichter abgegebene Strom fliesst dann vom Pluspol zum Beispiel über den Thyristor 2, die
Wicklungen 73 und 71 des Motors und den Thyristor 1 zum
Gleichstrom- Minuspol zurück. Die Kommutierung des Motor-
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Stromes^zxm Beispiel von Wicklung 71 auf Wicfelurig 7ST erfolgt
durch Lösehen von Thyristor 1 und Zünden von Thyristor
3., Wird Thyristor 1 nach seinem Zünden mit einer konstanten, von der Frequenz unabhängigen Zeitverzögerung
gelöscht bevor Thyristor 3 gezündet wird* dann- liegt überder
Motorwicklung 71 jeweils ein Spannung*impuls konstanter Spannungszeitfläche* Der Motorfluss wird infotgedess·»,
unabhängig von der Frequenz* konstant bleiben. Für die Löschung
der Thyristoren sind LÖschkondensatoren 11 - 16 vorhanden, welche in Serie mit Sättigungsdrosseln 31 ■** 36 den
Thyristoren 1-6 parallelgeschaltet sind. Im dargestellten* Ausführungsbeispiel ist jedem Thyristor eine Sättigungsdrossel
und ein Löschkondensator zugeordnet.
In der Variante, die In Figur 3 dargestellt ist, wird für
die Thyristoren 1, 3* 5 einer Kommutierungsgruppe der
Brückenschaltung eine einzige Sättigungsdrossel 30 benützt.
Ein Wicklungsende 1st mit dem Gleichetrompol der Komrautierungegruppe
verbunden, während das andere Ende über drei Löschkondensatoren 11» 13* 15 mit den drei Phasen der
Brückenschaltung verbunden ist.
In einer zweiten Variante gemüse Figur 4 wird für dl· Thyristoren
1, 3, 5 einer Kommutierungsgruppe der Brückenschaltung
nur ein Löschkondenaator 18 benutzt.. Die «ine Klemme
dieses Kondensators ist mit dem Gleichstrompol der Kommutierungsgruppe
verbunden^ während die ^andere Klemme über drei
BAD ORIGINA! ·,
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Säfctlgungsdrosseln 31 # 32, 33 und Dioden 41, 42,.·^ mit de»
drei Phaßen der Brüekenschaltung verbunden ißt. Die Aurladung des Kondensators 18 erfolgt durch drei weitere Dioden
51, 52* 53 von den drei Phasen der Brückensehaltung
aus«
Der- Löschvorgaßg zum Beispiel v©n Thyristor 1 spielt sich
folgendermaßen ab?
Bevor Thyristor! (Fig. 1} gezündet wird, wird der zugehörige Kondensator 11.über Thyristor 4 auf die Speisegleiehspannung
des Wechselrichters aufgeladen. Der Ladestrom des Kondensators treibt den Arbeitspunkt der Sättigungsdrossel
11 in Figur 2 über den Punkt A naeh C» Wird der Thyristor
gezündet^ nachdem Thyristor 4 gelöscht hat, so lädt sich der
Kondensator 11 über die Sättigungsdrossel 31 und Thyristor
auf umgekehrte Polarität um,, wobei die Sättigungsdrossel
über die Funkte D, E nach k in Figur 2 ummagnetisiert wird.
Nach Erreichen aes Punktes A gelangt die Drossel in die
Sättigung, sodase sich der Kondensator 11 in umgekehrter
Richtung über Thyristor 1-entladen kann und damit Thyristor
gelcteht wird.Dur^h «ine nicht dargestellte"Zusatzwicklung an
der Sättigungsdrossel kann diese so y©magnetisiert werden,
dass die Umkehrung der Stromrichtung im Lösehkreis erst im
Punkte F (Fig.2) erfolgt, das heiset,nachdem die Drossel
über den Punkt A iiinaus ummagnetisiert wurde. Die-Sättigungsdrossel befindet sich durch diese Massnahme beim Einsetzen
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der LÖschiang bereits stark In der Sättigung und setzt der
Kondensatorentladung praktisch keinen Widerstand entgegen. DI« Zeit, die für die volle Bmmagnetisierung der Sättigungsdrossel
benötigt wird, hängt von der ursprünglichen Ladespa|inung
des Kondensators ab. Wird der Kondensator mit
konstanter Gleichspannung aufgeladen, wie dies im darge-
Btefnten' Äusführungsbe!spiel der Pail 1st, so ist iüe 4JmjnÄf|ietlslerungBZ*it
frequenzunabhängig-. Ba di« Ummagnetisierung
unmittelbar beim Zünden des Thyristors ^einsetzt und beim Lösehen beendet ist, ist somit auch die Thyrietorleitzeit
frequenzunabhängig, das heisst der Thyristor löscht mit einer konstanten Zeltverzögerung automatisch
nach Jedem Zünden. Die Grosse dieser Verzögerung hängt bei
konstanter Kondensatorladespannung praktisch nur von der
Grosse der Sättigungsdrossel ab.
Bei der Variante gemäss Figur k flieset der Löschimpuls
für den Thyristor nicht über die Sättigungsdrossel, sondern Über die Ladedlode. Es. erfolgt deshalb keine Begrenzung
des Löschimpulses durch die Bestinduktivität der
Sättigungsdrossel, sodass eine Vormagnetisierung dieser
Drossel nur bis Punkt A der Hysteresisschleife (Fig..2)
notwendig ist.
Durch aas vorzeitige Löschen der Thyristoren 1, 3* 5 bzw.
2, k, 6 lückt der vom Wechselrichter aufgenommene Strom.
Damit an den Sperrdrosseln 8 und an den Thyristoren keine üeberspannungen auftreten, werden die Sperrdrosseln
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11> ό ö L ι υ
durch Dioden 9 überbrückt» sodass die magnetische Energie
der Drosseln sich Über diese Dioden abbauen kann.
An den Klemmen des Motors sind Dioden 21-26 in Drehstrombrückenschaltung
angeschlossen. Sie haben die Aufgabe« den
Motorblindstrom und den Motorrückstrora beim Bremsen dem
Speicherkondensator 10 zurückzuführen. Ohne diese Dioden könnte sich die magnetische Energie der Motorphasen nicht
ungestört abbauen, wodurch an den Motorwicklungen und damit an den Thyristoren Ueberspannungen auftreten würden.
Die als Blindstromdioden bezeichneten Dioden 21 - 26 gestatten den Abbau der magnetischen Energie, zum Beispiel der
Wicklung 71, über di· Diode 24, Thyristor 2, Wicklung 73
zurück auf Wicklung 71. Ein Ausgleich 1st auch über Diode 2h,
Kondensator 10 und Diode 25 für die Wicklungen 73 und 71
möglich. Die vom Motor zurückgegebene Energie wird von der Kapazität 10 aufgenommen. Der Kondensator ist besonders für
den Bremsbetrieb unentbehrlich, well eine EnergierÜck'gabe
ans Speisenetz über den ungesteuerten Speisegleichrichter
nicht möglich ist.
Man kann nun noch in bestimmter Weise die Leitdauer der gesteuerten
Wechselrichterventile durch Steuerung des Vormagnetisierungsstromes der Sättigungsdrosseln an die Wechselrichterfrequenz
anpassens Die Spannungszeitfläche der an
der Motorwicklung 71 (Pig.X) liegenden Spannungsimpulse
wird dann einerseits durch den ZUndpunkt vom Thyristor 2,
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andrerseits durch den Lösehzeitppunkt vom thyristor 1 begrenzt.
. ' .
UIe Spannungszeitfläche der Motorspannung und damit der
Motorfluss sind somit von der Uetjerlappung der te it zeiten
der Thyristoren der anderen Brückenhälfte abhängig. Wird
diese Ueberi-appung durch Regelung der Thyrlstprleitzeiten
unabhängig von der Frequenz konstant gehalten, so wird die Wechselrichterausgangsspannung eine frequenzunabhängige
Spannungszeltfläche erhalten, epdass sich über einen
grösseren Frequenzbereich ein praktisch konstanter Motorfluss einstellt, pie Sättigungsdrosseln, welche einen
Eisenkern mit möglichst rechteckförmiger Hysteresisschleife
aufweisen, (z*Bf Jlickeleisenkerne),werden in diesem
Falle durch eine durch eine nicht dargestellte Wicklung mit Gleichstrom vormagnetislert. Durch Aenderung des V£rmagnetisierungßstromes
kann die Xeitzeit der Thyristoren geregelt werden.
Per Löschvorgang zum Beispiel vom Thyristor 1 spielt sich
%ann folgendermaßen ab;
Bevor Thyristor ι (J?ig.l) gezündet wird, wird der zugehörige
Kondensator 11 über den Thyristor 4 auf die Speisegleichspannung
des Wechselrichters aufgeladen.Die Sättigungsdrossel
Jl ist mit Gleichstrom vormagnetisiert, wodurch sich
ihr Arfceitspunkt in Figur f zu Beginn in A befindet. Wird
der Thyristor 1 gezündet, nachdem Thyristor 4 gelöscht hat,
so lädt sich der Kondensator 11 über die Sättigungsdrossel
und den Thyristor 1 auf umgekehrte Polarität um. Während
:
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dieser Umladung steckt der Kondensator seine Energie vorerst in die Sättigungsdrossel, sodass diese über den Punkt
C nach D in Figur 5 entsättigt wird. Die Fläche ACDO entspricht dabei der Kondensatorenergie, die der Sättigungsdrossel
abgegeben wird. Während-der Rückmagnetisierung der Sättigungsdrossel über die Punkte E, P nach A in Figur 5
gibt die Sättigungsdrossel ihre aufgespeicherte Energie an de» Kondensator zurück. Die.Fläche AFEO in Figur & entspricht
dieser zurückgegebenen Energie, während die Fläche CDEF die verbrauchte Ummagnetlsierungsarbeit darstellt.
Während Energie dem Kondensator zurückgegeben wird, lädt sich dieser mit umgekehrter Polarität auf. Wird der Punkt A
erreicht, so kehrt sich auch die Stromrichtung im Löschkreis um, worauf der Kondensator sich über die stark gesättigte,
praktisch keinen Widerstand bietende Sättigungsdrossel entlädt und den Thyristor 1 löscht. Die Zeit für
die Uramagnetisierung der Sättigungsdrossel hängt von der
Ladung des Kondensators ab. Wird der Kondensator- mit konstanter
Gleichspannung aufgeladen, wie dies im dargestellten AusfUhrungsbeispiel der Fall ist, so ist die Ummagnetisierungszelt
konstant. Da die Ummagnetisierung der Sättigungsdrossel
unmittelbar beim Zünden des Thyristors einsetzt und beim Lösehen beendet ist, ist somit auch die Thyristorleitzeit konstant, das helsßt, der Thyristor löscht mit einer
konstanten Zeitverzögerung automatisch nach Jedem Zünden. Die
Orösse dieser Verzögerung hängt bei konstanter Kondensator-
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ladespannung von der durchlaufenen Plussänderung CD der
Sättigungsdrossel ab. Verändert man die Vormagnetisierung bei konstanter Ladespannung des Kondensators zum Beispiel
bis auf A' in Figur 5» so wird, da die Fläche A1G1D1G1
gleich der Fläche ACDG sein muss, (gleiche Kondensatorenergie),
die durchlaufene Flussänderung CD1 und damit auch die
Thyristorleitzeit kleiner. Durch Veränderung der Vormagnetisierung
der Sättigungsdrosseln ist es somit möglich, die Spannungszeitfläche der Motorspannung frequenzunabhängig zu
halten und damit für den ganzen Drehzahlverstellbereich praktisch konstanten Motorfluss zu erhalten* Es kann zu diesem
Zweck ein Regler vorgesehen werden, der den Vormagnetisierungsstrom
der Sättigungsdrossel so regelt, dass die Spannungszeltfläche der abgegebenen Wechselrichterspannung konstant
bleibt, oder es kann in einer weiteren Variante der Vormagnetisierungskreis der Sättigungsdrosseln über einen
Gleichrichter direkt an die Motorkletnme angeschlossen werden. Bei zunehmender Frequenz nimmt dabei der Mittelwert des Vormagnetlsierungsstromes
automatisch zu und verkleinert die Thyristorleitzeit proportional.
Obwohl, wie in Figur 1 dargestellt, der Wechselrichter vorzugsweise
in Drehstrombrückenschaltung geschaltet wird, sind für den Wechselrichterteil auch andere Schaltungen möglich.
Die dargestellte Schaltung, die im Vergleich mit anderen bekannten Schaltungen mit einem wesentlich geringeren Aufwand
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für ale Steuerung der Thyristoren auskommt und zudem nur
sechs Thyristoren braucht, eignet sich besondere für die Steuerung von Kurzschlussankennotoren mittlerer Leistung*
Sie kann jedoch auch für die Steuerung anderer Drehstroiamaschinen
benutzt werden.
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Claims (1)
- - 13 - 139/65Patentansprüche- - mmmmtemmmmmmmmmM - ./ I))Statischer Frequenzformer für drehzahlgesteuer^e Drehstrommotoren» bestehend aus einem in der Frequenz steuerbaren Wechselrichter, der den Motor anspeist und der über einen Gleichrichter an das Drehstromnet.z konstanter Frequenz angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet« dass parallel zu den steuerbaren Wechselrichterventllen LÖschkreise vorgesehen sind, welche durch Zündung des parallelen' Wechselrichterventils ausgelöst werden und dieses Ventil nach einem frequenzunabhängigen Zeltintervall selbsttätig löschen» und dass Jeder Löschkreis aus einem alt einer Sättigungsdrossel in Serie geschalteten Löschkondensator besteht/ welcher während der Leitdauer des parallelen Weohselrlchterventils die Sättigungsdrossel uramagnetisiert und nach einer der von der Sättigungsdrossel aufgenommenen Spannungszeitfläche entsprechenden Zeit» das parallele Wechselrichterventil durch einen Entladeimpuls löscht, sodas s die Leitdauer des Wechselrichterventils und die durch den Wechselrichter auf den Motor gegebenen Spannungszeltflächen frequenzunabhängig bleiben.2) Statischer Frequenzumformer gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sättigungsdrosseln vormagnetislert werden» .3) Statischer Frequenzumformer gemäss Anspruch 1, dadurch ge-9098 15/0731kennzeichnet* daee die Löachkreise von Wecheelrichterventllen einer X^mrautierungsgruppe «ine gemeinsame Sättigungs- drossel haben, wobei ein Wicklungsende dieser Proesel über 4rei Löechicondensatorea mit den drei Phasen der Wechselrlchteroehaltung und daa andere Wieklungsende jnit dem Oleich-. strorajpol der Koranutierungsgruppe verbunden sind.%) Statl*i?her ireqiienzuaiförmer geeM·· Aneprvich I, dedurch ge~d*ee 41« liiscfekreiaa yen üeeheelrißhtej»ventilen einer Köamutierungegruppe^lj^en kondeneator ha.\Htnf wobei «ine Klemme die see KondenBatore über drei JSttigungsdrosseln jqit d«n drei JPhaaen der WedOhaelrlchterschÄltung und iiie andere Klemme des Kondensators flsit dem Qleichstronipal der Kominutlerungegrupp« verbunden5) Statischer Ürequenzumformer geraäss -Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet» dass der Kondensator -über'---drei Dioden mit den drei-Phasen der ^tfechselricht er schaltung verbunden 1st« über welche die Entlade impulse f Hessen, welche die Wechselrlehterventile löschen«6) 5tati3Dher -Freijuenzumformer g^mäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Viechseirichterventile Thyristoren sind.Z) Statischer Frequenzumformer gemttss Anspruch X, dadurch gekennzeichnet^ das« die- Zeitdauer der gesteuerten tfecheelr ich t er ventile durch Steuerung, des Vormagne tislerungsetrom.es der Sättigungsdroseeln an die Wechselrichter£re<juenz ange·* passt wird-·90 9815/07318) Statischer Frequenzumformer gemäss Anspruch 7# dessen Wechselrichter in Drehstrombrückenschaltung geschaltet 1st, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormagnetlsierungsstrom der Sättigungsdrosseln so geregelt wird, dass die Leitzeiten der gesteuerten Wechselrichterventile der einen Brückenhälfte, die Leitzeiten der gesteuerten" Wechselrichterventile der anderen Brtiokenhälfte, unabhängig von der Frequenz, um einen konstanten Betrag überlappen.9) Statischer Frequenzumformer gemäas Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass der Vormagnetisierungsstrom der Sättigungsdrosseln so geregelt wird, dass an den Motorklemmen, unabhängig von der Wechselrichterfrequenz, eine Spannung konstanter Spannungszeitflache erscheint.10) Statischer Frequenzumformer gem&ss Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Vormagnetisierungsstrom der Sättigungsdrossel über einen Oleichrichter den Motorklemmen abgenommen wird, sodass sein Mittelwert mit zunehmender Frequenz steigt und die Leitdauer der Wechselrichterventile entsprechend abnimmt. .11) Statischer Frequenzumformer gemäss Ansprach fs dessen Wechselrichter in Drehstrombrückenechaltung geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Wechselrichterventile der einen Brückenhälfte mit steuerbaren Löschkreisen ausgerüstet ist, während die Wechselrichterventile der anderen Brückenhälfte durch zwischen den Brückenzweigen geschaltete Löscn-909 815/0731kondensatoren/ jeweils beim Zünden dee nächstfolgenden Ventils gelöscht werden.12) Statischer Frequenzumformer gemüse Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wecheelrichterventile Thyristoren sind.Aktiengesellschaft BROWN, BOVERIBAD ORIGINAL9098 15/073 1
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