DE1280396B - Anordnung zur Speisung eines Verbrauchers mit grossem Blindwiderstand mit Hilfe eines freischwingenden Wechselrichters - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES mj9Wl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H02m

H 02p

Deutsche KL: 21 d2-12/03

Nummer: 1280 396

Aktenzeichen: P 12 80 396.2-32 (W 25263)

Anmeldetag: 23. März 1959

Auslegelag: 17. Oktober 1968

Bei Speisung eines Verbrauchers mit großem Blindwiderstand muß die Speisespannungsquelle für die Scheinleistung bemessen werden. Diese Bedingung führt zu einer außerordentlich unwirtschaftlichen Ausnutzung der Spannungsquelle, insbesondere wenn die Blindkomponente im Verhältnis zur Wirkkomponente der Belastung sehr groß ist.

Besondere Bedeutung kommt diesen Problemen zu, wenn die Speisewechselspannung mit Hilfe eines freischwingenden Wechselrichters aus einer Gleichspannung erzeugt werden muß. Solche Wechselrichter arbeiten sehr häufig mit Transistoren, deren Leistungsfähigkeit verhältnismäßig gering ist. Man ist daher — abgesehen von Kostengründen — schon aus diesem Grund bemüht, derartige Wechselrichter mit höchstmöglichem Wirkungsgrad zu betreiben.

Eine bekannte Lösung der aufgeworfenen Probleme besteht darin, den Blindstromverbraucher mit einer Drossel oder einem Kondensator zu einem Parallelresonanzkreis zu vereinigen, dessen Resonanz- ao frequenz in etwa der Frequenz der Speisewechselspannung entspricht. Auch ist es bekannt, zwischen einem so gebildeten Resonanzkreis und einem Wechselrichter eine gewöhnliche Drossel zu schalten, deren Induktivität in etwa der Induktivität der Drossel des as Parallelresonanzkreises entspricht. Diese soll Rückwirkungen von Oberwellen auf den Wechselrichter vermindern, die sonst einen stabilen Wechselrichterbetrieb beeinträchtigen würden, weil von einer bestimmten Stärke an die Gefahr besteht, daß diese die Führungen des Wechselrichters übernehmen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Speisung eines Verbrauchers mit großem Blindwiderstand, der Teil eines Parallelresonanzkreises ist, mit Hilfe eines freischwingenden Wechselrichters mit zwei im Gegentakt arbeitenden Transistoren, über die zwei Primärwicklungen eines Transformators abwechselnd an eine Gleichspannungsquelle geschaltet sind, wobei eine Steuerdrossel mit einem Kern mit rechteckförmiger Hystereseschleife in einem Rückkopplungskreis liegt und die Umsteuerzeitpunkte der Transistoren bestimmt, während der jeweilige Steuerzustand zwischen den Umsteuerungen durch Rückkopplungsspannungen aufrechterhalten wird, die von zusätzlichen Hilfswicklungen des Transformators geliefert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebsverhältnisse dieser bekannten Anordnung zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerdrossel derart bemessen ist, daß ihr Kern zu einer Ummagnetisierung gerade die Dauer einer Halbwelle einer Schwingung des Anordnung zur Speisung eines Verbrauchers
mit großem Blindwiderstand mit Hilfe eines
freischwingenden Wechselrichters

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,

8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Rudy P. Putkovich,

Franklin Township, Export, Pa.;

Thomas M. Corry, Monroeville, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. März 1958 (724 410)

Resonanzkreises benötigt und daß dieser Resonanzkreis über eine weitere Drossel mit einem Kern mit im wesentlichen rechteckförmiger Hystereseschleife an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist, und daß die weitere Drossel derart bemessen ist, daß die vollständige Ummagnetisierung des Kernes im wesentlichen ebenso lange dauert wie eine Halbwelle einer Schwingung des Parallelresonanzkreises.

Im besonderen sind die Steuerdrossel und die weitere Drossel derart aufeinander abgestimmt, daß nach einer Umsteuerung der Transistoren zuerst der Kern der dem Parallelresonanzkreis vorgeschalteten Drossel und anschließend der Kern der Steuerdrossel in Sättigung geht.

Durch eine derartige Bemessung lassen sich die Bauelemente des Wechselrichters, insbesondere die Transistoren, optimal ausnutzen. Der Wechselrichter braucht nämlich nur die Verluste des Schwingkreises zu decken und zwar erst zu einem Zeitpunkt, da die Spannung am Parallelresonanzkreis schon beinahe der Spannung am Ausgang des Wechselrichters entspricht. Dementsprechend fließt dann auch ein nur verhältnismäßig kleiner Laststrom. Ohne die dem Parallelresonanzkreis vorgeschaltete Drossel müßte dagegen der Wechselrichter für den Strom bemessen

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werden, der nach der Umsteuerung der Transistoren, Batterie 3 angeschlossen. In ähnlicher Weise ist die d. h. nach einem sprunghaften Polaritätswechsel der Emitterelektrode 43 des Transistors 35 in dem Pfad Ausgangsspannung des Wechselrichters, fließen 31 an die Klemme 5 und die Kollektorelektrode 45 an würde. Da sich die Spannung am Parallelresonanz- die Klemme 19 angeschlossen, kreis nur nach einer Sinusfunktion verändert, besteht 5 Zur Steuerung der Transistoren 33 und 35 sind genämlich dann zunächst eine verhältnismäßig große eignete Vorspannungen an die Transistoren anzule-Spannungsdifferenz, die einen entsprechend großen gen. Nach der Zeichnung werden solche Vorspannun-Strom zur Folge hätte. Außerdem werden die Transi- gen in den Wicklungen 49 und 51 erzeugt, welche stören gerade in dem Zeitpunkt umgesteuert, da der über den Kern 13 mit der Primärwicklung 15 induktiv Laststrom den niedrigsten Wert besitzt. Dadurch io gekoppelt sind.

ergibt sich eine zusätzliche bessere Ausnutzung der Die Wicklungen 49 und 51 sind so geschaltet, daß

Transistoren. in ihnen Spannungen induziert werden, die entgegen-

Zur Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf gesetzte Leitzustände der Transistoren hervorrufen, die Zeichnung Bezug genommen, die die Schaltung Die Wicklungen 49 und 51 sind zwischen den Emiteines Ausführungsbeispiels der Erfindung wiedergibt. 15 ter- und Basiselektroden der Transistoren angeschlos-In dieser Schaltung ist der die Wechselspannung lie- sen und es liegen Spannungen entgegengesetzter fernde Wechselrichter mit 1 bezeichnet. Polarität an den Basiselektroden an. Wie gezeigt, hat

Dieser Wechselrichter 1 wird aus einer Batterie 3 die Wicklung 49 eine Klemme 53, welche über einen gespeist; sie hat eine positive Klemme 5 und eine Widerstand 55 an die Emitterelektrode 37 des Transinegative Klemme 7. ao stors 33 angeschlossen ist. Die andere Klemme 57 der

Der Wechselrichter 1 speist einen Verbraucher 9 Wicklung 49 ist an die Basiselektrode des Transistors mit hohem Blindwiderstand. Als Verbraucher 9 kön- 33 angeschlossen. In einer ähnlichen Weise ist die nen elektroluminiszierende Vorrichtungen verwendet Wicklung 51 mit einer Klemme 59 über einen Widerwerden, welche in der Lage sind, Licht zu emittieren. stand 61 an die Emitterelektrode 43 und mit der

Elektroluminiszierende Vorrichtungen stellen in 25 Klemme 63 an die Basiselektrode 47 angeschlossen, ihrer Wirkung einen Kondensator dar; sie weisen da- Nach der Erfindung werden von den Wicklungen

her einen kapazitiven Blindwiderstand auf und be- 49 und 51 unabhängige Mittel benutzt, um das Schalsitzen einen niedrigen Leistungsfaktor. Obgleich die ten der Transistoren 33 und 35 zu bewirken. Bei die-Erfindung bei irgendwelchen Arten von kapazitiven ser Anordnung halten die Wicklungen 49 und 51 nur Verbrauchern anwendbar ist, so wird sie im Aus- 30 die geschalteten Zustände aufrecht, erfüllen aber führungsbeispiel in Verbindung mit einem Verbrau- keine Funktion, um deren Schaltaktion zu bewirken, eher in der Form einer elektroluminiszierenden Vor- Diese Mittel schließen eine sättigungsfähige Steuerrichtung beschrieben, drossel 65 ein, welche einen magnetischen Kern 67

Der Wechselrichter 1 besitzt einen Transformator mit im wesentlichen rechteckiger Hysteresisschleife 11, der einen Kern 13 hat. Dieser kann aus einem ge- 35 hat. Auf dem Kern 67 ist eine Wicklung 69 angeordeigneten magnetischen Material, z. B. Siliziumstahl, net, die mit einer auf dem Kern 13 liegenden Wickaufgebaut sein. Um eine Magnetisierung des Kernes lung 71 verbunden ist. Die Wicklungen 69 und 71 13 zu ermöglichen, weist der Transformator 11 eine sind mit den Wicklungen 49 und 51 sowie den WiderPrimärwicklung 15 auf, welche Klemmen 17 und 19 ständen 55 und 61 in Reihe geschaltet. Es wird darauf sowie eine dazwischen liegende Mittelanzapfung 21 40 hingewiesen, daß ein Punkt zwischen den Widerstänhat. Die Mittelanzapfung 21 teilt die Primärwicklung den 55 und 61 mit den Emitterelektroden der Transi-15 in zwei Abschnitte 23 und 25. Eine Sekundär- stören 33 und 35 verbunden ist. Die Arbeitsweise der wicklung 27 ist ebenfalls auf dem Kern 13 angeordnet, schaltenden Mittel wird im Nachfolgenden nunmehr um eine Wechselspannung an den Verbraucher 9 zu beschrieben werden, liefern. 45 Zur Schaltung der Transistoren sind Steuermittel

Um eine Speisung der Primärwicklung 15 von der vorgesehen, die einen Parallelresonanzkreis 73 einBatterie 3 zuzulassen und um eine Wechselspannung schließen, welcher an die Wicklung 27 angeschlosin der Wicklung 27 zu erzeugen, sind Transistoren 33 sen ist.

und 35 vorgesehen, welche die Primärwicklung 15 an Der Verbraucher 9 stellt einen Teil des Parallel-

die Batterie 3 anschließen. 50 resonanzkreises dar. Wie schon erwähnt, kann der

Der Transistor 33 bzw. 35 liegt im Pfad 29 bzw. 31. Vebrraucher 9 eine elektroluminiszierende Vorrich-Der Transistor 33 besitzt eine Emitterelektrode 37, rung sein, welche einen kapazitiven Blindwiderstand eine Kollektorelektrode 39 und eine Basiselektrode aufweist. Dem Verbraucher 9 ist eine lineare Drossel-41. Der Transistor 35 hat eine Emitterelektrode 43, spule 75 parallelgeschaltet.

eine Kollektorelektrode 45 und eine Basiselektrode 55 Um die Verlustleistung in den Transistoren wäh-47. Die Transistoren können vom n-p-n-Typ oder rend des Betriebes möglichst klein zu machen, ist eine vom p-n-p-Typ sein. weitere Drossel 77 vorgesehen, deren Kern 79 eine im

Die Transistoren 33 und 35 sind so vorgespannt, wesentlichen rechteckförmige Hystereseschleife aufdaß sie im Schaltbetrieb arbeiten, so daß jeder Tran- weist. Auf dem Kern ist eine Wicklung 81 aufgebracht, sistor einen leitenden Zustand besitzt, in dem er eine 60 Die Wicklung 81 ist mit dem Kern 79 verkettet und sehr hohe Impedanz zwischen der Emitter- und der liegt in Reihe mit der Wicklung 27 und dem Parallel-Kollektorelektrode aufweist. resonanzkreis 73. In dieser Reihenschaltung kann ein

Wie in der Zeichnung veranschaulicht, ist die Widerstand 83 liegen, um den Wert des Stromes zu Emitterelektrode 37 des Transistors 33 in dem Pfad begrenzen, wenn der Kern 79 gesättigt ist. 29 an die positive Klemme 5 der Batterie 3 und die 65 Die Drossel 77 ist so ausgelegt, daß die Ummagne-Kollektorelektrode 39 in dem Pfad 29 an die Klemme tisierungszeit ihres Kerns im wesentlichen gleich der 17 des Wicklungsabschnittes 23 angeschlossen. Die Zeit einer Halbwelle der Resonanzfrequenz des Par-Mittelanzapfung 21 ist an die negative Klemme 7 der allelresonanzkreises 73 ist.

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Es wird nunmehr die Arbeitsweise des Wechsel- Transistor im wesentlichen zu einer Zeit gesperrt,

richters 1 beschrieben. Wird die Batterie 3 angeschlos- wenn der Strom, der diesen Transistor durchfließt,

sen, wird der eine oder der andere der Transistoren 33 auf einem Minimalwert ist. Für diesen Zweck sind

bzw. 35 leitend sein. Zur Erläuterung wird voraus- die Steuerdrossel 65 und der Parallelresonanzkreis 73

gesetzt, daß der Transistor 33 anfänglich in leitendem 5 derart ausgelegt, daß sich der Kern 67 der Steuer-

Zustand ist. drossel 65 im wesentlichen zu der Zeit sättigt, wenn

Bei dieser Voraussetzung fließt dann ein wesent- der Strom, welcher von der in der Wicklung 27 inlicher Teil des Stromes von der Batterie 3, der duzierten Spannung abgeleitet wird, auf einem Mini-Klemme 5 über die Emitterelektrode 37, die Kollek- malwert ist.

torelektrode 39 und den Wicklungsabschnitt 23 zu- io Ist der Kern 67 in Sättigung, ist die Impedanz, rück zur Klemme 7. Solch ein Strom durch den Wick- welche die Wicklung 69 darstellt, niedrig, wodurch lungsabschnitt 23 ruft einen magnetischen Fluß im im wesentlichen die gesamte in der Wicklung 71 inKern 13 in der Richtung des Pfeiles 85 hervor. Dieser duzierte Spannung an den Widerständen 55 und 61 Fluß induziert Spannungen in den Wicklungen 15,27, abfällt. Diese Spannungen haben Polaritäten, wie sie 49, 51 und 71, die die durch die an den Enden der 15 durch die zugeordneten Plus- und Minus-Zeichen anWicklungen gezeichneten Plus- und Minus-Zeichen gedeutet sind. Diese Spannungen sperren den Transiangedeuteten Polaritäten haben. stör 33 und steuern den Transistor 35 leitend.

Die auf diese Weise in den Wicklungen 49 und 51 Wird der Transistor 35 aufgesteuert, fließt Strom induzierten Spannung haben Größen und Polaritäten, von der Klemme 5 über die Emitterelektrode 43, die die den leitenden und sperrenden Betriebszustand der ao Kollektorelektrode 45 und den Wicklungsabschnitt Transistoren 33 bzw. 35 aufrechthalten. Die in der 25. Ein solcher Stromfluß über den Wicklungs-Wicklung 71 zu dieser Zeit induzierte Spannung er- abschnitt 25 ruft eine magnetomotorische Kraft herzeugt einen Strom, der über die aus den Wicklungen vor, welche einen magnetischen Fluß durch den Kern 71, 69, 49 und 51 sowie den Widerständen 55 und 61 13 in der Richtung des Pfeiles 87 schickt. Ein solcher bestehende Reihenschaltung fließt. Wenn angenom- 25 magnetischer Fluß induziert Spannungen in den Wickmen wird, daß der Kern 67 sich anfänglich im un- lungen 15, 27, 49, 51 und 71 mit den zu den in der gesättigten Zustand befindet, dann ist die Impedanz Zeichnung eingetragenen Polaritäten entgegengesetzder Wicklung 69 sehr groß mit dem Ergebnis, daß im ten Polaritäten.

wesentlichen die ganze Spannung, welche in der Wick- Sobald sich die Polarität der in der Wicklung 27

lung 71 induziert wird, an den Klemmen der Wick- 30 induzierten Spannung umkehrt, wird der Kern 79 der

lung 69 erscheint. Wenn der Kern 67 einen gesättigten Drossel 77 in eine Richtung magnetisiert, die der-

Zustand erreicht, fällt ein wesentlicher Teil der in der jenigen Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt ist,

Wicklung 71 induzierten Spannung an den Wider- die den Transistor 33 leitend steuert. Während einer

ständen 55 und 61 ab. Diese Spannungen schal- solchen Magnetisierung des Kernes 79 entlädt sich

ten die Transistoren in entgegengesetzte leitende Zu- 35 der vorher aufgeladene Verbraucher 9 über die Dros-

Stände. seispule 75 mit einer Geschwindigkeit, die durch die

Die in der Wicklung 27 mit der gezeigten Polarität Resonanzfrequenz des Parallelresonanzkreises 73 beinduzierte Spannung verursacht einen Strom in dem stimmt ist. Bei Vollendung einer Halbwelle der Kreis mit der Wicklung 81, dem Parallelresonanzkreis Resonanzfrequenz des Parallelresonanzkreises 73 im 73 und dem Widerstand 83. Wenn angenommen wird, 40 Anschluß an die Schaltbetätigung ist der Entladedaß der Kern 79 der Drossel 77 sich anfänglich im strom auf Null abgesunken, wogegen die Spannung ungesättigten Zustand befindet, dann ist die Impedanz am Verbraucher 9 in der umgekehrten Richtung ander Wicklung 81 für diesen Strom sehr groß, so daß gewachsen ist und dieselbe Polarität hat wie die in im wesentlichen die gesamte Spannung, welche in der der Wicklung 27 induzierte Spannung.
Wicklung 27 induziert wird, an der Wicklung 81 ab- 45 Um den Strom durch die Wicklung 27 kleinzuhalfällt. Das ist eine sehr vorteilhafte Anordnung, da ten, sind die Drossel 77 und der Parallelresonanzkreis während des Intervalles, in dem der Kern 79 in Rieh- 73 derart ausgelegt, daß die Ummagnetisierungszeit tung auf seinen Sättigungszustand fortschreitet, durch des Kernes 79 der Drossel 77 im wesentlichen gleich den leitenden Transistor 33 nur derjenige Strom fließt, der Zeit ist, welche erforderlich ist, um eine HaIbder für die magnetischen Elemente in der Schaltung 50 welle der Resonanzfrequenz des Parallelresonanz- und die Basiskreise der Transistoren erforderlich ist. kreises 73 zu vollenden. Bei dieser Anordnung wird

Ist der Kern 79 gesättigt, so ist die Impedanz der sich der Kern sättigen, wenn die Spannung am Verwicklung 81 bedeutend herabgesetzt, so daß ein braucher 9 von derselben Polarität ist, wie die in der wesentlicher Teil der Spannung, die in der Wicklung Wicklung 27 induzierte Spannung. Das ergibt zum 27 induziert wird, an den Parallelresonanzkreis 73 55 Laden des Verbrauchers 9 die Speisung mit einem liegt. Dann fließt ein Teil des Stromes von der Wick- minimalen Strom von einer solchen induzierten Spanlung 27 zum Verbraucher 9. Ein kleinerer Teil dieses nung. Anschließend an die Sättigung des Kernes 79 Stromes fließt über die Drosselspule 75. Der Strom wird der durch die Wicklung 27 fließende Strom auf von der Wicklung 27 ist durch den Widerstand 83 be- einen Minimalwert absinken. Dann wird der Kern 67 grenzt. Wenn sich der Verbraucher 9 auflädt, sinkt 60 der Steuerdrossel 65 in die Sättigung gehen, wie es der durch den Verbraucher fließende Strom und folg- bereits vorher erläutert worden ist, um Spannungen lieh wächst der Strom über die Drosselspule 75 an. an den Widerständen 55 und 61 hervorzurufen, Zu einer gewissen Zeit in diesem Aufladezyklus er- welche entgegengesetzte Polaritäten zu den eingetrarecht der Strom in der Wicklung 27 einen Minimal- genen besitzen. Diese Spannungen steuern den Tranwert. Dann führt der leitende Transistor 33 ebenfalls 65 sistor 33 leitend. Damit ist ein vollständiger Zyklus einen Minimalstrom. abgeschlossen.

Um ein Minimum an Verlustleistung während eines An der Wicklung 27 tritt eine Spannung mit im

Schaltvorganges zu verwirklichen, wird der leitende wesentlichen rechteckiger Kurvenform auf. Am Ver-

braucher ist die Spannung auf Grund der Serienschaltung des Kreises aus der Drosselspule 75 und Verbraucher 9, der Drossel 77, des Widerstandes 81 und der Wicklung 27 sinusförmig. Die Frequenz der Spannung an der Wicklung 27 ist proportional der Umkehrfrequenz der Betriebszustände an den Transistoren 33 und 35. Diese Umkehrfrequenz ihrerseits ist abhängig von der Ummagnetisierungszeit des Kernes 67. Folglich kann die Frequenz der Spannung an der Wicklung 27 durch die Zahl der Windungen der Wicklung 69 oder durch Änderung der Spannung eingestellt werden, welche an eine solche Wicklung angelegt wird.

Die Transistoren werden immer dann geschaltet, wenn die Transistorströme einen Minimalwert erreichen. Auf diese Weise hat auch die Verlustleistung in den Transistoren während der Schaltvorgänge einen Minimalwert. Elektrolumineszierenden Platten sind mit Erfolg von einer solchen Anordnung bei einer Frequenz von etwa 2000 Hz mit einer Spannung von etwa 500 Volt gespeist worden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Speisung eines Verbrauchers mit großem Blindwiderstand, der Teil eines Parallelresonanzkreises ist, mit Hilfe eines freischwingenden Wechselrichters mit zwei im Gegentakt arbeitenden Transistoren, über die zwei Primärwicklungen eines Transformators abwechselnd an eine Gleichspannungsquelle geschaltet sind, wobei eine Steuerdrossel mit einem Kern mit rechteckförmiger Hystereseschleife in einem Rückkopplungskreis liegt und die Umsteuerzeitpunkte der Transistoren bestimmt, während der jeweilige Steuerzustand zwischen den Umsteuerungen durch Rückkopplungsspannungen aufrechterhalten wird, die von zusätzlichen Hilfswicklungen des Transformators geliefert werden, dadurchgekennzeichnet, daß die Steuerdrossel (65) derart bemessen ist, daß ihr Kern (67) zu einer Ummagnetisierung gerade die Dauer einer Halbwelle einer Schwingung des Parallehresonanzkreises (73) benötigt und daß dieser Resonanzkreis über eine weitere Drossel (77) mit einem Kern (79) mit im wesentlichen rechteckförmiger Hystereseschleife an die Sekundärwicklung (27) des Transformators (11) angeschlossen ist, und daß die weitere Drossel (77) derart bemessen ist, daß die vollständige Ummagnetisierung des Kernes (79) im wesentlichen ebenso lange dauert wie eine Halbwelle einer Schwingung des Parallelresonanzkreises (73).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdrossel (65) und die weitere Drossel (77) derart aufeinander abgestimmt sind, daß nach einer Umsteuerung der Transistoren (33, 35) zuerst der Kern der dem Parallelresonanzkreis (73) vorgeschalteten Drossel (77) und anschließend der Kern der Steuerdrossel (65) in Sättigung geht.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 573 551, 676128,
682534;

deutsche Auslegeschrift S 43424 VIII b/21 d²
(bekanntgemacht am 28. 6.1956);

USA.-Patentschrift Nr. 2 783 384;

»Elektronik«, 1956, Nr. 10, S. 272 und 273;

»E-T-A«, Januar 1958, S. 5 bis 7;

»Proceedings of the IRE«, November 1952, S. 1510 und 1511;

»Proceedings of the IRE«, Februar 1954, S. 391
bis 401;

»AJEE-Transactions«, November 1955, S. 587 bis 592.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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