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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektrische Schaltung
zur Erzeugung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Bei
Windkraft- oder Wasserkraft- oder Gasturbinen-Energieerzeugungsanlagen ist es bekannt, einen
sogenannten doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit netzgekoppeltem
Stator zu verwenden. Der Rotor der Asynchrongenerator ist in diesem
Fall über
einen rotorseitigen Umrichter, einen Zwischenkreis und einen netzseitigen
Umrichter mit dem Netz verbunden. Der Zwischenkreis enthält einen
oder mehrere Kondensatoren, und die beiden Umrichter werden unter
anderem dahingehend gesteuert, dass die Zwischenkreisspannung einer
vorgegebenen Nennspannung entspricht.
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Im
Fehlerfall des Energieversorgungsnetzes, beispielsweise bei einer
Abweichung der Netzspannung von einer vorgegebenen Nennspannung
um mehr als 1%, oder bei einem Blitzeinschlag oder dergleichen ist
es möglich,
dass die Zwischenkreisspannung stark ansteigt und unzulässige Werte
erreicht. Für
diesen Fall ist es bekannt, beispielsweise den Statorschalter zu öffnen und
damit ein Ansteigen der Zwischenkreisspannung zu vermeiden. Aufgrund
des geöffneten
Statorschalters ist dann aber der Asynchrongenerator vom Netz getrennt
und kann keinen Einfluss mehr nehmen, also auch keinen Blind- und/oder
Wirkstrom mehr in das Netz einspeisen.
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Von
Seiten der netzbetreibenden Energieversorgungsunternehmen wird nunmehr
gefordert, dass die Energieerzeugungsanlage auch in einem Fehlerfall
noch Blind- und/oder Wirkstrom in das Netz einspeisen kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltung zu schaffen,
mit der diese Forderungen erfüllt
werden können.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und durch
eine elektrische Schaltung nach dem Anspruch 8.
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Erfindungsgemäß ist ein
Asynchrongenerator statorseitig mit einem Energieversorgungsnetz und
rotorseitig über
einen rotorseitigen Umrichter, einen Zwischenkreis und einen netzseitigen
Umrichter mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt. Es wird ein – durch
externe Einflüsse
hervorgerufenes – Ansteigen
der Zwischenkreisspannung über
einen Schwellwert erkannt, und es werden die beiden Pole des Zwischenkreises
bei einem Ansteigen der Zwischenkreisspannung über den vorgegebenen Schwellwert über eine
Strombegrenzung miteinander verbunden.
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Dieses
Vorgehen bringt den Vorteil mit sich, dass ein Ansteigen der Zwischenkreisspannung über den
Schwellwert sicher vermieden wird. Eine Schädigung von Bauteilen der elektrischen
Schaltung ist insoweit nicht möglich.
Ein Öffnen
des Statorschalters ist damit nicht erforderlich. Der netzseitige
und der rotorseitige Umrichter können
somit, wie von den Energieversorgungsunternehmen gefordert, auch
im Fehlerfall – ohne
Rücksicht
auf die Zwischenkreisspannung – Blind-
und/oder Wirkstrom in das Energieversorgungsnetz einspeisen. Nach
Beseitigung/Beendigung des Fehlers kann die erfindungsgemäße elektrische
Schaltung sofort wieder elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz
einspeisen.
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Die
beiden Pole des Zwischenkreises werden dabei über eine Strombegrenzung miteinander verbunden.
Bei dieser Strombegrenzung kann es sich beispielsweise um eine Drossel,
eine Spule, eine lange elektrische Leitung oder ein anderes elektrisches
Bauteil handeln, mit dem eine Strombegrenzung erreichbar ist. Besonders
vorteilhaft ist es, die beiden Pole des Zwischenkreises über einen
Regelwiderstand miteinander zu verbinden. Damit kann im Fehlerfall
ohne größeren Aufwand
eine ausreichende Strombegrenzung erreicht werden.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die beiden
Pole des Zwischenkreises über
einen Kondensator miteinander verbunden. Dieser Kondensator kann
im Fehlerfall zusätzliche
elektrische Energie aus dem Zwischenkreis aufnehmen. Der Zwischenkreis
wird auf diese Weise entlastet.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der netzseitige
Umrichter während
des Verbindens der beiden Pole des Zwischenkreises derart angesteuert,
dass er kein Ansteigen der Zwischenkreisspannung hervorruft. Damit
wird ein kontraproduktives Verhalten des netzseitigen Umrichters vermieden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn einem Regelwiderstand und einem Regelschalter
ein Dämpfungswiderstand
und ein Kondensator parallel geschaltet sind, und wenn zwischen
die Verbindungspunkte des Regelwiderstands und des Regelschalters
einerseits und des Dämpfungswiderstands
und des Kondensators andererseits eine Diode geschaltet ist. Dies
stellt eine sehr einfache Regeleinrichtung dar, bei der der Regelschalter
zusätzlich
gegen Überspannung
geschützt
ist.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
der Zeichnung.
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt ein schematisches Blockschaltbild
eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung
zur Erzeugung elektrischer Energie.
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Ein
dreiphasiges Energieversorgungsnetz 10 ist mit einem Transformator 12 und
einem Netzschalter 13 verbunden, an die weiterhin ein Statorschalter 14 angeschlossen
ist, der seinerseits mit dem Stator 15 eines Asynchrongenerators 16 verbunden
ist. Bei dem Statorschalter 14 kann es sich um jegliche
Art eines ansteuerbaren elektrischen bzw. elektronischen Schalters
handeln, der in der Lage ist, den Strom bzw. die Spannung zwischen dem
Transformator 12 und dem Stator 15 zu führen und
zu unterbrechen. Insbesondere kann es sich bei dem Statorschalter 14 um
ein elektrisches bzw. elektronisches Leistungshalbleiterbauteil
handeln, das beispielsweise aus einem Thyristor oder einen IGBT (insulated
gate bipolar transistor) oder dergleichen aufgebaut ist.
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Zur
Messung der Netzspannung Un ist auf der Netzseite des Statorschalters 14 ein
Spannungssensor 18 vorgesehen. Zur Messung der Statorspannung
Us ist auf der Statorseite des Statorschalters 14 ein weiterer
Spannungssensor 19 vorgesehen. Auf dieser Statorseite ist
des weiteren ein Stromsensor 20 vorhanden, der den über den
Statorschalter 14 fließenden
Statorstrom Is misst.
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An
den Verbindungspunkt des Transformators 12 und des Statorschalters 14 ist
ein netzseitiger Umrichter 22, insbesondere ein Pulswechselrichter, angeschlossen,
der über
einen zweipoligen Gleichstrom-Zwischenkreis 23 mit einem
rotorseitigen Umrichter 24, insbesondere einem Pulswechselrichter, verbunden
ist. Der rotorseitige Umrichter 24 ist weiterhin mit dem
Rotor 26 des Asynchrongenerators 16 verbunden.
Der netzseitige Umrichter 22 und der rotorseitige Umrichter 24 können beliebig
und unterschiedlich aufgebaut sein, insbesondere kann es sich dabei
um Schaltungen handeln, die eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen
aufweisen, beispielsweise Dioden oder Transistoren oder dergleichen. Der
Zwischenkreis 23 ist zur Speicherung einer Gleichspannung
vorgesehen und weist insbesondere einen oder mehrere Kondensatoren
auf. Weiterhin ist es möglich,
dass der netzseitige Umrichter 22, der Zwischenkreis 23 und
der rotorseitige Umrichter 24 als sogenannte Zwei- oder
Mehr-Level-Anordnung ausgebildet
sind.
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Zwischen
dem Transformator 12 und dem netzseitigen Umrichter 22 ist
eine Sicherung 27 vorhanden.
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Zur
Messung des über
den netzseitigen Umrichter 22 fließenden Stroms In ist auf der
Netzseite des netzseitigen Umrichters 22 ein Stromsensor 28 vorgesehen.
Zur Messung des über
den rotorseitigen Umrichter 24 fließenden Rotorstroms Ir ist auf
der Rotorseite des rotorseitigen Umrichters 24 ein weiterer
Stromsensor 29 vorhanden. Zwischen dem rotorseitigen Umrichter 24 und
dem Zwischenkreis 23 ist ein Spannungssensor 30 vorgesehen,
mit dem die Zwischenkreisspannung Ud gemessen werden kann.
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Im
Pfad zwischen dem rotorseitigen Umrichter 24 und dem Rotor 26 können eine
Drossel 32 und/oder ein Filter 33 vorhanden sein. Ähnlich können im
Pfad zwischen dem netzseitigen Umrichter 22 und dem Energieversorgungsnetz 10 eine
Drossel 34 und/oder ein Filter 35 vorgesehen sein.
Ein weiteres Netzfilter 36 kann zwischen dem netzseitigen
Umrichter 22 und dem Energieversorgungsnetz 10 mit Hilfe
eines Schalters 37 zuschaltbar sein.
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Zwischen
der Sicherung 27 und dem netzseitigen Umrichter 22 ist
ein Netzschalter 39 vorgesehen, dem ein Ladewiderstand 40 sowie
zwei Schalter 41, 42 parallel geschaltet sind. Über einen
weiteren Schalter 44 kann der Ladewiderstand 40 mit
Energie versorgt und als Heizwiderstand für die Leistungshalbleiterbauteile
verwendet werden.
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Die
Messsignale der Netzspannung Un, der Statorspannung Us, der Zwischenkreisspannung
Ud, des über
den netzseitigen Umrichter 22 fließenden Stroms In, des Statorstroms
Is und des Rotorstroms Ir sind einer Steuerung/Regelung 50 als
Eingangssignale 51 zugeführt. Diese Steuerung/Regelung 50 erzeugt
Ausgangssignale 52, mit denen der Statorschalter 14,
der netzseitige Umrichter 22 und der rotorseitige Umrichter 24,
der Netzschalter 39 sowie die weiteren erläuterten
Schalter 37, 41, 42, 44 angesteuert
werden.
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Die
Steuerung/Regelung 50 steuert oder regelt den netzseitigen
Umrichter 22 und den rotorseitigen Umrichter 24 unter
anderem dahingehend an, dass die Zwischenkreisspannung Ud möglichst
einer vorgegebenen Nennspannung entspricht. Es können dabei verschiedene Nennspannungen
eingestellt werden.
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Der
Zwischenkreis 23 ist mit einer Regeleinrichtung 60 verbunden.
Diese Regeleinrichtung 60 weist eine Parallelschaltung
auf, in deren einem Zweig ein Regelwiderstand 61 und ein
Regelschalter 62 und in deren anderem Zweig ein Dämpfungswiderstand 63 und
ein Kondensator 64 enthalten sind. Zwischen die Verbindungspunkte
des Regelwiderstands 61 und des Regelschalters 62 einerseits
und des Dämpfungswiderstands 63 und
des Kondensators 64 andererseits ist eine Diode 65 in
Richtung zu dem Kondensator 64 geschaltet. Die Parallelschaltung
der Regeleinrichtung 60 ist zu dem/den Kondensator/en des
Zwischenkreises 23 parallel geschaltet.
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Bei
dem Regelschalter 62 kann es sich um ein elektrisches bzw.
elektronisches Leistungshalbleiterbauteil handeln, das beispielsweise
aus einem Thyristor oder einen IGBT (insulated gate bipolar transistor)
mit Freilaufdiode oder dergleichen aufgebaut ist. Der Regelschalter 62 wird
von der Steuerung/Regelung 50 in seinen leitenden oder
in seinen nicht-leitenden Zustand geschaltet.
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Bei
der in der Figur dargestellten und vorstehend beschriebenen Schaltung
handelt es sich um einen sogenannten doppelt gespeisten Asynchrongenerator 16 mit
netzgekoppeltem Stator 15. Diese Schaltung kommt insbesondere
in Energieerzeugungsanlagen zum Einsatz, beispielsweise in Windkraft-
oder Wasserkraft- oder Gasturbinen-Energieerzeugungsanlagen.
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Im
Normalbetrieb dieser Schaltung sind der Statorschalter 14 und
der Netzschalter 39 leitend geschaltet. Wird der Rotor 26 durch
eine äußere Kraft, beispielsweise
durch Wind oder Wasser oder Dampf oder dergleichen, in eine Drehbewegung
versetzt, so wird im Stator 15 eine Spannung induziert,
die über den
Statorschalter 14 in das Energieversorgungsnetz 10 eingespeist wird.
Die Anpassung, insbesondere die Synchronisierung der in den Stator 15 induzierten Spannung
an die Netzspannung Un des Energieversorgungsnetzes 10 wird
von der Steuerung/Regelung 50 durch eine entsprechende
Ansteuerung des netzseitigen Umrichters 22 und des rotorseitigen
Umrichters 24 erreicht.
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Ist
die Schaltung ausgeschaltet, so befinden sich zumindest der Statorschalter 14 und
der Netzschalter 39 in ihrem nicht-leitenden Zustand.
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Zum
Starten des Betriebs der Energieerzeugungsanlage werden zuerst die
Leistungshalbleiterbauteile vorgeheizt. Hierzu wird der Ladewiderstand 40 verwendet.
Es werden der Schalter 41 und der Schalter 44 geschlossen
und der Schalter 42 bleibt geöffnet. Damit ist es möglich, elektrische
Energie, die über
den Schalter 44 eingespeist wird, über den Ladewiderstand 40 zu
führen
und damit den Ladewiderstand 40 aufzuheizen.
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Danach
wird der Zwischenkreis 23, also insbesondere der/die dortige/n
Kondensator/en aufgeladen. Hierzu werden der Statorschalter 14 sowie
der Netzschalter 39 geöffnet
und die beiden Schalter 41, 42 geschlossen. Es
fließt
dann ein von dem Ladewiderstand 40 begrenzter Strom von
dem Netz 10 über den
netzseitigen Umrichter 22 zu dem/den Kondensator/en des
Zwischenkreises 23. Sobald eine erwünschte Spannung im Zwischenkreis 23 vorhanden ist,
werden die beiden Schalter 41, 42 geöffnet und der
Hauptschalter 39 wird in seinen leitenden Zustand geschaltet.
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Wenn
der Rotor 26 sich dreht und im wesentlichen seine Nenndrehzahl
erreicht hat, dann beginnt der rotorseitige Umrichter 24 damit,
den Rotor 26 des Asynchrongenerators 16 zu magnetisieren,
so dass eine Spannung vom Rotor 26 zum Stator 15 induziert wird.
Von dem Steuergerät 50 werden
die Statorspannung Us und die Netzspannung Un synchronisiert. Sobald
dies erreicht ist, wird der Statorschalter 14 in seinen
leitenden Zustand geschaltet und es fließt ein Strom in das Energieversorgungsnetz 10. Die
Schaltung befindet sich nun im Normalbetrieb.
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Die
Zwischenkreisspannung Ud wird mit Hilfe des Spannungssensors 30 von
der Steuerung/Regelung 50 laufend überwacht. Steigt die Zwischenkreisspannung
Ud aus irgendwelchen Gründen
an und überschreitet
sie einen vorgegebenen Schwellwert, so wird dies als Fehler erkannt
und es wird der Regelschalter 62 in seinen leitenden Zustand
geschaltet. Es entsteht damit eine Verbindung des einen Pols des
Zwischenkreises 23 über
den als Strombegrenzung vorgesehenen Regelwiderstand 61 zum
anderen Pol des Zwischenkreises 23. Der Kondensator 64 wird über den
Dämpfungswiderstand 63 fortlaufend
auf die Spannung Ud des Zwischenkreises aufgeladen. Auf diese Weise
werden durch den Dämpfungswiderstand 63 Schwingungen vermieden,
die durch die Verbindung der beiden Pole des Zwischenkreises 23 entstehen
können.
Die Diode 65 dient als Freilaufdiode beim Abschalten des Regelschalters 62.
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Die
Zwischenkreisspannung Ud kann aus verschiedenen Gründen ansteigen.
So kann dies auf einer Veränderung,
insbesondere einem Anstieg oder Abfall der Netzspannung Un beruhen.
Gegebenenfalls ist es deshalb möglich,
dass anstelle oder ergänzend
zu der Zwischenkreisspannung die Netzspannung Un als Auslöser für das Leitendschalten des
Regelschalters 62 herangezogen wird. Weiterhin kann ein
Anstieg der Zwischenkreisspannung Ud auch durch einen Blitzeinschlag
und eine dadurch verursachte rotorseitige Überspannung hervorgerufen werden.
Insoweit kann gegebenenfalls auch eine derartige rotorseitige Spannung
insbesondere ergänzend
als Auslöser
für das
Leitendschalten des Regelschalters 62 herangezogen werden.
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Durch
eine entsprechende Ansteuerung der Regeleinrichtung 60 und
der damit bewirkten Zwischenschaltung des Regelwiderstands 61 in
den Zwischenkreis 23 wird die Zwischenkreisspannung Ud vermindert.
Dies hat zur Folge, dass der vorgegebene Schwellwert wieder unterschritten
wird und der Regelschalter 62 wieder in seinen nicht-leitenden
Zustand übergeht.
Damit fließt
kein Strom mehr über den
Regelwiderstand 61.
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Basiert
der Anstieg der Zwischenkreisspannung Ud auf einem unsymmetrischen
Fehler, so beginnt die Zwischenkreisspannung Ud nach dem Nicht-Leitend-Schalten
des Regelschalters 62 wieder anzusteigen und der vorstehend
erläuterte
Ablauf beginnt von vorne. Liegt ein symmetrischer Fehler zugrunde,
so tritt der erläuterte
Ablauf nur ein Mal auf.
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Solange
der Regelschalter 62 leitend geschaltet ist und die Zwischenkreisspannung
Ud damit absinkt, würde
der netzseitige Umrichter 22 – bei ausreichender Netzspannung
Un – an
sich versuchen, die Zwischenkreisspannung Ud wieder auf die vorgegebene
Nennspannung zu erhöhen.
Dies würde
dem erwünschten
Absinken der Zwischenkreisspannung Ud entgegenwirken. Die Steuerung/Regelung 50 steuert
deshalb den netzseitigen Umrichter 22 während der Leitend-Schaltung
des Regelschalters 62 derart an, dass keine derartige Erhöhung der Zwischenkreisspannung
Ud durch den netzseitigen Umrichter 22 erfolgt.
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Sämtliche
anderen Schalter der beschriebenen Schaltung werden in der bereits
erläuterten
Weise von der Steuerung/Regelung 50 angesteuert. Aufgrund
der Regeleinrichtung 60 muss dabei keinerlei Rücksicht
auf mögliche Überspannungen
im Zwischenkreis 23 genommen werden. Derartige Überspannungen
werden von der Regeleinrichtung 60 vermieden.
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Für den Fall,
dass die Regeleinrichtung 60 versagt oder aus sonstigen
Gründen
nicht ausreichend ist, um die Zwischenkreisspannung Ud auf den vorgegebenen
Schwellwert zu begrenzen, ist eine weitere Kurzschlusseinrichtung 70 vorgesehen,
die direkt an den Rotor 26 des Asynchrongenerators 16 angeschlossen
ist. Mit Hilfe dieser Kurzschlusseinrichtung 70 kann der
Rotor 26 nach Masse geschaltet und damit jegliche Energie
dem Rotor 26 entzogen werden. Der Schwellwert der Kurzschlusseinrichtung 70 liegt
dabei über
dem Schwellwert der Regeleinrichtung 60.
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Die
Kurzschlusseinrichtung 70 kann mit Hilfe eines Kurzschlussschalters
aufgebaut sein und gegebenenfalls einen Kurzschlusswiderstand enthalten.
Die Kurzschlusseinrichtung 70 kann von der Steuerung/Regelung 50 in
Abhängigkeit
von den Eingangssignalen 51 angesteuert werden oder sie
kann vollständig
unabhängig
von der Steuerung/Regelung 50 betrieben werden. Im letztgenannten
Fall kann die Kurzschlusseinrichtung 70 insbesondere in
Abhängigkeit
von der am Rotor 26 des Asynchrongenerators 16 vorhandenen
Spannung aktivierbar sein.