DE2838672C2 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines GleichstrommotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentans, ruchs. Eine solche
ist bekannt durch die DE-OS 23 41 465. Bei dieser Anordnung ist im Motorstromkreis ein niederohmiger
Widerstand als Schutz vor Überstrom im Hinblick auf eine Entmagnetisierung der Magnete im Motor
vorgesehen. Dieser Widerstand erzeugt im Normalbetrieb ständig Verluste.
Aus der Philips. Technical Review Vol. 34, Nr. 7.1974,
Seiten 163 bis 169 ist eine ähnliche Schaltungsanordnung bekannt, bei der die Magnete des Motors groß
ausgeführt sind, um eine Entmagnetisierung zu verhindem. Auch aus der US-PS 35 66 251 ist es bekannt, dem
Entmagnetisieren von Permanentmagneten entgegenzuwirken: dort geschieht dies mit Hilfe von zwei
Reihenschlußwicklungen im Motor die über Dioden mit dem Anker verbunden sind.
Aus der DD-PS 45 993 ist eine Schaltungsanordnung zur drehzahlabhängigen Ankerstrom- bzw. Beschleunigungsbegrenzung
von Gleichstrom-Nebenschlußmotoren in geregelten Antrieben bekannt, bei der der Stromflußwinkel eines Quecksilberdampfgleichrichters
in Abhängigkeit von einem Fehlersignal eingestellt wird, das die Differenz zwischen einer Solldrehzahl und einer
Istdrehzahl ist, wobei der Grenzwert des Fehlersignals mit dem Drehzahlistwert geändert wird, um den oberen
Grenzwert des Stromflußwinkels des Quecksilberdampfgleichrichters zu begrenzen. Bei dieser bekannten
Anordnung wird der Ankerstrom in Abhängigkeit von der Motordrehzahl geändert, wofür ein Schalter
zwischen einem Wert oberhalb und einem Wert unterhalb der Grunddrehzahl des Motors umgeschaltet
wird. Oberhalb der Grunddrehzahl wird der Ankerstrom linear verringert; eine lineare Herabsetzung der
Regelspannung erfolgt durch den Befehl zum Einschalten des Schalters und eines Drehwiderstands. Dabei
findet eine drehzahlabhängige Ankerstrombegrenzung für den Feldschwächungsbereich statt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß bei
jedem vorkommenden Betriebszustand des Motors ein Entmagnetisieren der Permanentmagnete nicht auftreten
kann und daß dabei innerhalb der Schaltungsanordnung nur geringstmögliche Verluste auftreten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind
F i g. 1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit
des Fehlers e zwischen einem Sollwert der Motordrehzahl und der Ist-Motordrehzahl von einer Fehlerspannung
v,
Fig.2 eine graphische Darstellung der Einstellung
einer Klemmspannung für den Stromflußwinkel während einer Beschleunigungs- und Verzögerungsregelung.
F i g. 3 eine graphische Darstellung einer EMK-Kennlinie,
F i g. 4 eine graphische Darstellung eines Beispiels der Einstellung der Klemmspannung während der Beschleunigung,
F i g. 5 eine graphische Darstellung des Betriebs während des Antriebs des Motors mit niedriger
Drehzahl,
F i g. 6 eine graphische Darstellung des Betriebs des Antriebs des Motors mit hoher Drehzahl,
F i g. 7 eine graphische Darstellung der Einstellung der Klemmspannung während einer Verzögerung,
F i g. 8 eine graphische Darstellung des Betriebs während einer Verzögerung,
F i g. 9 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Drehzahlregelanordnung,
Fig. 10 ein Schaltbild eines Beschleunigungsrtgelkreisesund
F i g. 11 ein Schaltbild eines Verzogerungsregelkreises.
In Fig. 1 gibt die Abszisse den Fehler e zwischen
einem Sollwert und einer Rückkopplungsspannung wieder und die Ordinate gibt eine Ausgangsspannung ν
wieder, die an den Stromflußwinkel-Steuerkreis angelegt wird, um eine Zündung des Thyristors bei einem
Stromfluß zu erreichen, der proportional zur Ausgangsspannung ν ist. wie weiter unten beschrieben wird.
Der Fehler e und die Ausgangsspannung ν sind
proportional voneinander abhängig. Wenn jedoch der Fehler e einen bestimmten Wert übersteigt, so wächst
die Ausgangsspannung ν nicht weiter an und wird auf diesem Wert festgehalten. Das grundsätzliche Konzept
der Erfindung liegt darin, den oberen Grenzwert der Kiemmspannung ν 1 der Fehlerspannung e zu verändern,
d. h. den Stromflußwinkel des Thyristors zu verändern, und zwar in Abhängigkeit von der
Istdrehzahl des Gleichstrommotors.
In F i g. 2 zeigen die Abszisse die Motordrehzahl und
die Ordinate die Klemmspannung Vmat. Die Klemmspannung
V„m entspricht einem maximalen Stromflußwinkel
0„,.IT.
Beim Stand der Technik wird eine Kiemmspannung benutzt, wie sie durch die gestrichelte Linie g\ in F i g. 2
dargestellt ist. Diese besitzt in dem gesamten Bereich der Motordrehzahl /Veine Regelspannung V3.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird während der Beschleunigung und während eines glcichblei-
bend stabilen Betriebes die K'wmmspannung so eingestellt, daß sie sich linear zwischen einem Wert V2
und einem Wert V3 ändert, und zwar in Abhängigkeit von der sich ändernden Motordrehzahl, die sich von
einem Wert 0 bis zu ihrem Maximalwert Nm3% ändert.
Dies ist durch die ausgezogene Linie g2 in Fig.2
dargesiellu Bei einer Verzögerung wird die klcmirispannung
so eingestellt, daß sie sich abschnittsweise ändert, beispielsweise von einem Wert 0 bis zu einem
Wert Vl und dann bis zu einem Wert V 2, und zwar in
Abhängigkeit von der sich ändernden Motordrehzahl N die von ihrem Maximalwert Nm3X auf 0 abfällt. Dies ist
durch die ausgezogene Kurve g3 in F i g. 2 dargestellt.
Anhand der Fig.3 bis 8 wird nun der Grund dafür
erläutert, daß die Klemmspannungswerte auf die durch die ausgezogenen Kurven g2 und g5 in Fig.2
gezeigten Werte eingestellt werden.
Gemäß Fig.3 wird in einem Läufer eines Gleichstrommotors
eine EMK EN induziert, die proportional zur Motordrehzahl N ist
Wie in F i g. 4 dargestellt, wird die Klemmspannung während einer Beschleunigung in einem Bereich
niedriger Drehzahl, beispielsweise bei einer !.iotordrehzahl
N1. auf 4 V eingestellt, beim Maxima'wert der
Motordrehzahl, d.h. bei einer Motordrehzahl Λ/2,
beträgt die Klemmspannung 7 V.
Der Stromflußwinkel des Thyristors wird in Abhängigkeit von der Fehlerspannung ν so gesteuert, wie es in
F i g. 5 dargestellt ist. Der Thyristor wird zu dem Zeitpunkt gezündet, zu dem die Fehlerspanpung ν mit
einer Sägezahnwelle VK übereinstimmt, die sich im Bereich von +150° bis -30° einer Wechselstromquellenspannung
VA von einem Maximalwert bis zum Wert 0 verändert. Damit ist die Regelung des Stromflußwinkels
des Thyristors im Bereich zwischen +150° bis - 30° möglich. Im Falle eines Betriebes mit niedriger Drehzahl
ist jedoch der Maximalwert des Stromflußwinkels auf Θμ begrenzt, da die EMK EN 1 des Läufers klein ist. In
diesem Fall wird ein Strom nur im Bereich D 2 an den Läufer gegeben, wie durch Schraffur angezeigt ist. Im
Falle der f i g. 5 ist nämlich die variable Höhe der Fehlerspannung ν so gewählt, daß sie von 0 bis Vn»<\/
reicht, und die Anordnung ist so getroffen, daß der Stromflußwinkel seinen Maximalwert 0^, erreicht,
wenn die Fehlerspannung ν den Wert VnuxN / hat. Da die
EMK des Läufers mit einem Anwachsen der Motordrehzahl wächst, steigt die Klemmspannung ebenfalls
dementsprechend an.
Wie in F i g. b dargestellt ist. steigt die EMK des Läufers bis auf EN 2 an. wenn der Motor mit hoher
Drehzahl betrieben wird, so daß der Bereich der Stromflußwinkelsteuerung gegenüber dem Regelbereich
für einen Betrieb mit niedriger Drehzahl auf mehr als + 150° ausgedehnt werden muß. Im Falle der F i g. 6
ist der Wert der Fehlerspannung ν bei VmaxN 2 gehalten,
damit der Maximalwert des Stromflußwinkels nicht über Θ«. hinausgeht. Damit kann der Stromflußwinkel
in einem Bereich D 3 gesteuert werden, und ein durch Schraffur angezeigter Strom wird im Bereich D4 an den
Moiorgegeben.
Wie oben beschrieben wurde, kann der obere Grenzwert des Stromflußwinkels in dem Fall, daß der
Motor mit niedriger Drehzahl getrieben wird, klein sein, und bei einem Ansteigen der Motordrehzahl wird eine
Steuerung bei einem größeren Stromflußwinkel erforderlich. Wenn die Fehlerspannung aufgrund einer
Fehlfunktion eines Strombegrenzers oder dergl. ab norm ansteigt, insbesondere während eines Betriebes
mit niedriger Drehzahl, erfolgt die Zündung bei einem großen Stromflußwinkel, so daß dem Motor ein großer
Strom zugeführt wird. Dies bewirkt, daß die permanenten Magnete entmagnetisiert werden. Wenn jedoch der
obere Grenzwert des Stromflußwinkels bei einem Winkel, der für den Betrieb mit niedriger Drehzahl am
besten geeignet ist, festgehalten wird, wird der Steuerbereich für den Stromflußwinkel im Bereich des
Betriebes mit hoher Drehzahl sehr schmal und eine Stromregelung wird unmöglich.
Während der Beschleunigungsregelung wird deshalb bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Klemmspannung
oder der maximale Stromflußwinkel so eingestellt, daß er im Bereich niedriger Drehzahl klein
und im Bereich hoher Drehzahl groß ist, und zwar in Abhängigkeit von der Motordrehzahl.
Anhand der F i g. 7 und 8 wird die Verzögerungsregelung beschrieben. Wie in F i g. 7 dargestellt ist, wird bei
der Verzögerungsregelung die Klemmspannung so eingestellt, daß sie von 0 graduell ansteigt, wenn sich die
Motordrehzahl vom Bereich hohpr Drehzahl zum
Bereich niedriger Drehzahl hin äiiaert. Beim Beispiel
Fig. 7 ist die Klemmspannung auf Vmd,Nj begrenzt,
wenn die Motordrehzahl N 3 beträgt.
Da im Falle der Verzögerung des mit hoher Drehzahl betriebenen Motors die Sollwertspannung umgekehrt
wird, wird die Fehlerspannung ν in ihrer Polarität umgekehrt, und die Phasenregelung wird in den
negativen Halbperioden der Wechselstromquelle erreicht. In diesem Falle hat die EMK EN3 eine zur
Wechselspannung VA entgegengesetzte Polarität, so daß es möglich ist, einen hinreichenden Strom fließen zu
lassen, auch wenn der Stromflußwinkelbereich relativ schmal ist. Dementsprechend ist in den F i g. 7 und 8 die
Klemmspannung bei VmitxN } gehalten, wenn die Motordrehzahl
N 3 beträgt, und der obere Grenzwert der Stromflußwinkelsteuerung auf Θ\ ι eingestellt ist. Mit
anderen Worten, die Stromflußwinkelsteuerung ist in einem Bereich D 5 möglich. Damit ist es möglich zu
vermeiden, daß während der Verzögerung oes mit hoher Drehzahl betriebenen Motors der Stromflußwinkf'
abnorm ansteigt, so daß ein großer Strom im Läufer fließt.
Fig. 9 zeigt die erfindungsgemäße Gleichstrommotor-Regelanordnung
mit einem Verzögerungsregelkreis DCC und einem Beschleunigungsreg^lkreis 4CC in
einem bekannten Gleichstrommotor-Treiberkreis.
Ein Gleichstrommotor DM besitzt Feldpole mit permanenten Magneten, und ein Läufer AM besitzt
einen Läuferstromdetektor ACDuna einen Läuferdrehzahldetektor
TG.
Ein Drehzahlsoilwertkreis CVC erzeugt ein Spannungssignal,
welches den Drehzahlsollwert anzeigt, dieses Signal wird durch einen Weichstartkreis ADL in
ein Spannungssignal Vc umgewandelt, welches weniger scharf ansteigt und abfällt als das zuerst gerannte
Signal, und das Spannungssignal Vc wird einem Differentialverstärker DFA zugeführt. Der Differentialverstärker
DFA erhält außerdem ein Spannungssignal Va. welches pr· portional zur Drehzahl des Gleichstrommotors
DM ist, und erzeugt ein Fehlersignal e (-Vc-Va), welches die Differenz zwischen den
Signalen Vc und Va wiedergibt. Das Fchlersignal c wird
an einen Phasenkompensationskreis PCC gegeben. Der Phasenkompensationskreis PCC soll bestimmte Frequenzkuinponentu'
unterdrücken, bcispielsv-er«;n H mischen
oder dergl., und er erzeugt eine Fehlerspannung v, die proportional zum oben genannten Fchlcrsignal c ist.
Ein Absolutwert- und Begrenzerkreis A LC erzeugt den Absolutwert der Fehlerspannung ν und hat die
Funktion, der. Absolutwert zu begrenzen, so daß er einen bestimmten Wert nicht übersteigt.
Ein Spannungsphasenkonverter VPC vergleicht die Fehlerspannung ν mit einer Sägezahnwelle, welche die
gleiche Periode wie eine Wechselstromquellenspannung und ein vorbeatimmtes Verhältnis zu dieser
Spannung hat, wie weiter unten beschrieben wird, damit vird ein vorgegebener Stromflußwinkel bestimmt.
Ein Vorzeichenwechselkreis DRD steuert einen Gate-Impuls-Generator GPG in Abhängigkeit von der
Polarität des Eingangssignals des Absolutwertkreises,
d. h. in Abhängigkeit von der Fehlerspannung v. Der Gate-Impuls-Generator GPG erzeugt einen Gate-Itnpuls,
um einen Thyristor bei der Stromflußwinkelposition zu zünden, die durch den Spannungsphasenkonverter
VPC bestimmt wird, damit wird der Thyristor in Abhängigkeit vom Ausgangssignai des Vorzeichen
wechselkreises DRD gezündet.
Ein Thyristorkreis SCR ist zwischen einer Drehstromquelle U, V und VV und dem Gleichstrommotor
DM angeordnet und bildet einen vollgesteuerten Drehstrombrückengleichrichter in Antiparallelschaltun.g.
Ein Strombegrenzer CLC reagiert auf ein Spannungssignal vom Läuferstromdetektor ACD, wenn
der Läuferstrom über einen bestimmten Wert ansteigt, und dient dazu, ein weiteres Ansteigen in der
Ausgangsspannung vom Absolutwert- und Begrenzerkreis ALC zu vermeiden, d.h. ein weiteres Ansteigen
der Fehlerspannung vzu vermeiden.
Das oben Beschriebene betrifft den bekannten Gleichstrommotor-Regelkreis. Der Stromflußwinkel
des Thyristors wird so gesteuert, daß die Sollwertspannung Vc und die Drehzahlrückkopplungsspanniing Va
miteinander übereinstimmen, und der Motor bei der Solldrehzahl betrieben wird. Durch eine Stromrückkopplungsschleife.
die durch den Läuferstromdetektor ACD und den Strombegrenzer GLCgebildet wird, wird
der Läuferstrom so geregelt, daß er einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt.
Gemäß der Erfindung wird jedoch aufgrund der oben genannten Gründe der Variationsbereich der Fehlerspannung
ν durch den Beschleunigungsregelkreis ACC und den Verzögerungsregelkreis DCC geregelt, diese
Kreise reagieren auf das Motordrehzahldetektorsigna!. Der Beschleunigunfsregelkreis ACC stellt die
Klemmspannung der Fehlerspannung vin Abhängigkeit von der Motordrehzahl ein. wie mit der durchgezogenen
Linie g 2 in F i g. 2 angezeigt ist, der Verzögerungsregelkreis DCCstellt dagegen die Klemmspannung der
Fehlerspannung ν ebenfalls in Abhängigkeit von der Motordrehzahl ein. wie durch die durchgezogene Linie
g 3 in F i g. 2 angezeigt ist.
F i g. 10 zeigt ein Beispiel eines Beschleunigungsregelkreises
ACC. welcher Operationsverstärker OPt und OP 2. Dioden D 1 bis D 3 und Widerstände R 1 und R 2
besitzt.
Die erste Hälfte dieser Schaltung bis zum Punkt F stellt einen Absolutwertkreis dar. Wenn diesem Kreis
eine Eingangsspannung, d. h. die zur Motordrehzahl proportionale Spannung va. zugeführt wird, so erzeugt
dieser Kreis am Punkt F eine Spannung Vf, die proportional zum Absolutwert der Motordrehzahl ist.
Die zweite Hälfte der Schaltung hinter dem Punkt F bildet einen Spannungspegel-Verschiebekreis, welcher
die Ausgangsspannung, die bei der Geschwindigkeit 0 erzeugt wird, um einen Wert verschiebt der durch eine
feste Spannung Vn und die Widerstände Ri und R 2
bestimmt ist, d. h. durch (Vn) R2/R\. Eine Ausgangsspannung
Κ,,,, = (V/ + Vn) R>IR, wird nämlich am Punkt G
erzeugt. Ein Ausgangsanschluß 71 des Beschleunigungsregclkreises .4CC ist mit dem Punkt B in F i g. 9
verbunden, da jedoch die Diode O3 in Beziehung auf
den Ausgangsanschluß Tl in Rückwärtsrichtung angeschlossen ist. wird die Ausgangsspannung vom Absolutwert-
und Begrenzerkreis ALC in Fig.9. d.h. die
Fehlerspannung v, durch die Ausgangsspannung VJUS des
Verzngerungsregelkreises /\CCgehalten.
F i g. 11 zeigt ein Beispiel des Verzögerurgsregelkreiscs
DCC. In F i g. 11 sind Operationsverstärker mit OP3
bis OP5 bezeichnet, Zener-Dioden mit ZX bis Z 4.
Widerstände mit R3 bis R5. und Dioden mit D4 und D 5.
Die dargestellte Schaltung bildet einen Funktionsgenerator,
welcher an seinem Eingangsanschluß T2 mit der Muiordreh^Mdrtektorspannung Va beaufschlagt
wird, und dessen Ausgangsanschiuß 73 mit dem Punkt A in Fig. 3 verbunden ist. Die Ausgangsspannung am
Ausgangspunkt C des Operationsverstärkers OP3 variiert mit einem Gradienten-/?«//?j proportional zur
Eingangsspannung Va, wenn die Spannung Va unter einem bestimmten Wert ist, und wächst ein wenig steiler
an. mit einem Gradienten-R<,/R). wenn die Eingangsspannung
Va über den bestimmten Wert ansteigt. Die Spannu-: ;en Vn und Vf an den Ausgangspunkten D und
E der Operationsverstärker OP4 und OP5 verändern
sich, wie in F i g. 11 dargestellt ist. Wenn die Spannung
Vp einen negativen Wen annimmt und der Gleichstrommotor in Vorwärtsriohtung getrieben wird, d. h. im
negativen Bereich der Detektorspantiung Va, so wächst
der Wer! der Spannung Vn von 0 in der negativen
Richtung, wenn der Absolutwert der Spannung Va sich von 0 auf seinen Maximalwert verschiebt, und die
Spannung Vn wird eine negative Spannung, welche mit
einer Zenerspannung V/e übereinstimmt, wenn die
Spannung Va den Wert 0 erreicht.
Die Spannung V/ram Ausgangspunkt F variiert in der
positiven Richtung. Wenn der Gleichstrommotor in Rückwärtsrichtung getrieben wird. d. h. im positiven
Bereich der Detektorspannung Va. so ändert sich die Spannung Vr und erreicht ihren Nullwert, wenn die
Spannung Va maximal ist, und wächst dann graduell bis zu einer Positionsspannung V,c wenn die Spannung Va
den Wert Null hat.
Die oben genannten Ausgangspunkte D und E sind
über die in Vorwärtsrichtung geschaltete Diode D 4 und die in Rückwärtsrichtung geschaltete Diode D 5 jeweils
mit dem Ausgangsanschluß 73 verbunden, und v^n dort
aus sind sie mit dem Punkt A in Fig.9 verbunden.
Dementsprechend wird die Fehlerspannung am Punkt A in Fig.9 zu einer negativen Spannung, wenn die
Sollwertspannung vermindert wird, um den mit hoher Drehzahl in Vorwärtsrichtung getriebenen Motor zu
verzögern, jedoch wird diese Spannung durch die Klemmspannung VDin F i g. 11 gehalten, und damit wird
verhindert, daß sie abrupt hohe negative Spannungen annimmt. Deshalb ist es möglich zu vermeiden, daß der
Stromflußwinkel plötzlich anwächst und einen Oberstrom
erzeugt.
Wenn der Absolutwert der Sollwertspannung vermindert wird, um den mit hoher Drehzahl in
Rückwärtsrichtung getriebenen Motor zu verzögern, so wird die Fehlerspannung am Punkt A positiv, jedoch ist
sie am Punkt £ in F i g. 11 durch die Spannung VE
gehalten, so daß es unmöglich ist, daß der Stromflußwin-
kel abrupt groß wird und einen großen Strom erzeugt.
Der Grund dafür, daß die Klemmspannung während der Verzögerung nicht linear ist, liegt darin, daß der
Stromflußwink-;1 für die Verzögerung während des Betriebes des Motors mit hoher Drehzahl klein gemacht
werden muß. |edoch können die gleichen Resultate sogar auch dann erzielt werden, wenn die Klemmspannur·^
linear gemacht wird.
Wi-J oben beschrieben wurde, wird bei der Erfindung
der obere Grenzwert der Fehlerspannung oder der Stromflußwinkel in Abhängigkeit von der tatsächlichen
Motordrehzahl gehalten, so daß es möglich ist zu vermeiden, daß der Läuferstrom einen überhöhten Wert
annimmt und eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete bewirkt. Auch in dem Falle, daß ein
Strombegrenzer nicht arbeitet oder mit Verzögerung reagiert, kann ein Überstrom vermieden werden.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Permanentmagnete als Feldpole aufweisenden Gleichstrommotors, bei welcher der Stromflußwinkel wenigstens eines im Ankerstromkreis des Motors liegenden Thyristors in Abhängigkeit von einem Fehlersignal gesteuert wird, das die Differenz zwischen Motordrehzahlsollwert und -istwert wiedergibt, wobei Maßnahmen zur Strombegrenzung, um eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete zu verhindern, vorgesehen sind, gekennzeichnet durch einen dem Ausgang des Drehzahlreglers nachgeschalteten Ankerstrombegrenzer (ALC, DCC, ACC), dessen den maximalen Stromflußwinkel des Thyristors begrenzende Klemmspannung abhängig vom Motordrehzahlistwert (Va) in der Weise veränderbar ist, daß die obere Grenze des Stromflußwinkels des Thyristors so gesteuert wu X daß während der Beschleunigung der absolute Wert der Klemmspannung von einem vorgegebenen Wert aus in dem Maß ansteigt wie der Motordrehzahlistwert von einem Niedrigdrehzahlbereich zu einem Hochdrehzahlbereich ansteigt, und daß während der Verzögerung der absolute Wert der Klemmspannung im Hochdrehzahlbereich klein ist und bis zu dem vorgegebenen Wert ansteigt, wenn die Motordrehzahl in den Niedrigdrehzahlbereich übergeht (Fig. 2).30
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