DE2815958A1

DE2815958A1 - Wechselstromgeneratoranlage

Info

Publication number: DE2815958A1
Application number: DE19782815958
Authority: DE
Inventors: John E Myers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1978-04-13
Publication date: 1978-10-26
Also published as: FR2388434B1; FR2388434A1; JPS5810944B2; AU3395378A; CA1086820A; GB1580680A; AU511301B2; US4087698A; NL7804271A; JPS53132731A

Description

FRANKLIN WELLINGTON BAUIiGARTNER, Denver, Colorado, VStA

Wechselstromgeneratoranlage

Die Erfindung betrifft Wechselstromgeneratoranlagen.

Verschiedene Arten von Anlagen sind bekannt und im Gebrauch, bei denen die Drehzahl des Motors und des Generators geregelt werden und die sich auch bewährt haben. Bei der Erzeugung eines elektrischen Stromes wird die Ausgangsfrequenz des Genarators auf einem gewünschten Wert gehalten und damit auch die Drehzahl des Läufers, indem die erzeugte Frequenz mit einer Bezugsfrequenz verglichen wird und die Drehzahl der Primär-Antriebsmaschine, z.B. einer Antriebsturbine, entsprechend angepaßt wird. Bei anderen Anlagen wird die richtige Winkelgeschwindigkeit des Läufers dadurch aufrechterhalten, daß ein mechanisches Getriebe mit veränderlicher Drehzahl zwischen der Primär-Antriebsmaschine und der Läuferwelle angeordnet ist. Es ist auch bekannt die Drehzahl eines Induktionsmotors dadurch zu regeln, daß der Ständer oder Rahmen mit verschiedenen Geschwindigkeiten umläuft, wobei ein Hilfsmotor dazu benutzt wird, um die Drehung des Ständers herbeizuführen.

Während derartige Anlagen für Anwendungszwecke brauchbar sind, bei denen gespeicherte Energie für den Antrieb verwendet wird und daher die Antriebsleistung ohne Energieverschwendung vermindert werden kann, sind sie in den Anwendungsfällen nicht praktisch, bei denen die Energie nicht gespeichert werden kann und über einen weiten Bereich schwankt, wie z.B. bei Windkraftmaschinen, Windmühlen oder Windturbinen. Wenn die volle Energie nicht benutzt wird, geht sie verloren und kann nicht zu einem späteren Zeitpunkt wiedergewonnen werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselstromgeneratoranlage anzugeben, die auch bei derartigen Verhältnissen einwandfrei arbeitet.

Gemäß der Erfindung ist die Anlage derart ausgebildet, wie es im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben ist.

Falls die Leistung und die Drehzahl der treibenden Welle genügend groß ist, kann der zweite Ständer drehbar gelagert sein und anfangs in der gleichen Weise gesperrt sein. Der zweite Ständer kann antriebsmäßig mit dem Läufer eines dritten Generators oder mit einer dynamischen Bremse verbunden sein.

Die Regeleinrichtungen können in einer Konsole montiert sein und enthalten eine Feldregelschaltung, eine Lastregelschaltung und eine phasenstarre Schaltung, die entsprechend miteinander verbunden sind. Die Lastregelschaltung kann wahlweise mit einer ersten oder einer zweiten Art der Belastung verbindbar sein und regelt die Last, um die richtige Betriebsweise des Generators aufrechtzuerhalten. Die Ständerwellen sind je in einem Lager gelagert, welches auch die Sperrvorrichtung enthält, um eine Drehung des Ständers unter Steuerung der phasenstarren Schaltung zu verhindern. Die Feldregelschaltung liefert die notwendige Erregung für das Läuferfeld. Für jeden Generator kann ein getrenntes Konsol vorgesehen sein.

Wenn man zur Schilderung der Betriebsweise annimmt, daß die Primär-Antriebsmaschine sich zunächst im Stillstand befindet und sich dann zu drehen beginnt, treibt sie die Antriebswelle mit zunehmender Drehzahl an. Die Welle treibt entsprechend den ersten Läufer an, der mit dem ortsfesten Ständer zusammenarbeitet, um einen Wechselstrom zunehmender Frequenz zu erzeugen. Die phasenstarre Schaltung vergleicht die Ausgangsfrequenz mit derjenigen, die von einer

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BezugsSpannungsquelle geliefert wird und wenn die Sollfrequenz erreicht ist, gibt die phasenstarre Schaltung die Sperrvorrichtung des Lagers frei, so daß der erste Ständer umläuft und eine Relativdrehzahl zwischen ihm und dem ersten Läufer aufrechterhält, die der Sollfrequenz entspricht.

Wenn zu irgendeiner Zeit der erste Generator einen Strom erzeugt, dessen Frequenz unter der Sollfrequenz liegt, überträgt die Lastregelschaltung diesen Strom auf eine Last, die nicht an die Sollfrequenz gebunden ist. Wenn die Sollfrequenz erreicht wird, kann der Strom weiterhin an diese erste Art der Belastung geliefert werden oder er wird wahlweise in ein Netz gespeist, welches Strom mit der Sollfrequenz führt. Der zweite Generator arbeitet in der gleichen Weise und wenn die Drehzahl der Eingangswelle über den Punkt zunimmt, bei dem der zweite Ständer freigegeben wird, kann er einen dritten Läufer oder eine dynamische Bremse antreiben.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann auch durch die im Kennzeichen des Anspruches 11 angegebenen Mittel gelöst werden.

Eine Wechselstromgeneratoranlage gemäß der Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die in den Figuren dargestellt sind.

Fig. 1 ist eine Darstellung der Anlage, die die beiden Generatoren und eine dynamische Bremse mit der zugehörigen Schaltung zeigt;

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung eines abgeänderten Generators und des drehbar gelagerten Ständers;

Fig. 3 ist eine Ansicht nach der Linie 3-3 der Fig. 2j und

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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung mit zwei Generatoren konzentrisch zueinanderliegend.

In Fig. 1 ist der allgemeine Plan der Anlage dargestellt, bei der zwei im wesentlichen einander gleiche Generatoren 10 und 12 in Tandem angeordnet sind. Der Generator 10 hat einen Läufer 14 und einen Ständer 16 und der Generator 12 hat einen Läufer 18 und einen Ständer 20. Der Läufer 14 ist auf einer Welle 22 montiert, die in einem Lager 24 an dem einen Ende des Ständers 16 gelagert ist. Das andere äußere Ende der ¥elle 22 bildet die Antriebswelle 26, die an die Primär-Antriebsmaschine 28 angeschlossen ist und in einem Lager 30 läuft.

Der Läufer 18 ist auf einer Welle 32 montiert, die in einem Lager 34 an dem einen Ende des Ständers 20 angeordnet ist. Das äußere Ende der Welle 32 reicht bis zum äußeren Ende des Ständers 16 und ist mit diesem verbunden und in einem Lager 36 gelagert. Eine weitere Welle 38 reicht bis zum äußeren Ende des Ständers 20, geht durch ein Lager 40 hindurch und erstreckt sich bis zu einer dynamischen Bremse 42. Schleifringe 44 für den Läufer 14 sind auf einer Hülse 46 montiert, die von dem Lager 48 am Ende des Ständers 16 getragen wird. Ähnliche Schleifringe 50 für den Läufer 18 sind auf einer Hülse 52 montiert, die in einem Lager 54 am Ende des Ständers 20 läuft.

Eine Feldregelschaltung 56 ist über Leiter 58 mit den Schleifringen 44 verbunden und eine Feldregelschaltung 60 steht über Leitungen 62 mit den Schleifringen 50 in Verbindung. Der Ständer 16 ist mit Schleifringen 64 versehen, die den Strom des Generators aufnehmen und eine Laststeuerschaltung 66 ist über Leitungen 68 an die Schleifringe 64 angeschlossen. Der Ständer 20 ist mit Schleifringen 70 versehen, die den vom Generator erzeugten Strom führen, und

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eine Laststeuerschaltung 72 ist über Leitungen 74 an die Schleifringe 70 angeschlossen. Unkritische Belastungen und 78 können wahlweise mit den Laststeuerschaltungen 66 und 72 über Leitungen 80 und 82 verbunden werden. Leitungen 84 und 86 führen von den Laststeuerschaltungen 66 und 72 zu einem normalen Netz, das mit der gewünschten Spannung und der Sollfrequenz arbeitet und können wahlweise über Lastregler an die Ausgänge der Generatoren angeschlossen werden. Phasenstarre Schaltungen 88 und 9o sind über Leitungen 92 an eine Bezugsspannungs- und -frequenzquelle angeschlossen und stehen über Leitungen 96 und 98 und die Laststeuerschaltungen mit den Ausgängen der Generatoren in Verbindung. Die Bezugsquelle 94 ist z.B. ein Kraftnetz, welches Strom der gewünschten Spannung und mit der Sollfrequenz führt. Außerdem ist jede phasenstarre Schaltung über Leitungen 100 und 102 mit Sperrvorrichtungen verbunden, die nicht dargestellt sind und sich in den Lagern und 40 befinden.

Zur Beschreibung der Wirkungsweise der Anlage wird zunächst angenommen, daß die Primär-Antriebsmaschine 28 sich im Stillstand befindet und z.B. eine Windmühle oder Windturbine ist. Wenn die relative Windgeschwindigkeit ausrei dit, um entsprechende Leistung zu erzeugen, beginnt die Primär-Antriebsmaschine umzulaufen und treibt die Antriebswelle 26 mit zunehmender Drehzahl an. Die Welle treibt den Läufer 14, der mit dem Ständer 16 zusammenarbeitet und einen Wechselstrom mit zunehmender Frequenz abgibt. Die Drehzahl des Läufers 14 kann während verschiedener Zeitspannen so niedrig sein, daß die Frequenz des erzeugten Stromes niedriger als die Sollfrequenz ist. Während solcher Zeitspannen fließt der Strom über die Leitungen 68 zur Lasts teuer schaltung 66 und wird der Belastung zugeführt, die unkritisch ist und auch Leistung mit von dem Normalwert abweichender Frequenz bearbeiten kann.

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Die phasenstarre Schaltung 98 überwacht ständig die Ausgangsfrequenz des Generators über Leitungen 96 und vergleicht sie mit der von der Bezugsquelle 94 gelieferten Spannung und Frequenz. Wenn die Sollfrequenz erreicht wird, entsperrt die phasenstarre Schaltung 88 die Sperrvorrichtung des Lagers 36 über eine Leitung 100, und der Ständer 16 kann sich daher drehen und eine Relativdrehzahl zwischen sich und dem Läufer 14 einhalten, die der Sollfrequenz entspricht. Die absolute Drehzahl des Ständers 16 ist die Differenz zwischen der Drehzahl der Antriebswelle 26 und der des Läufers 14, und die relative Drehzahl ist die zwischen dem Ständer 16 und dem Läufer 14. Der Stander 16 treibt den Läufer 18 des zweiten Generators mit der absoluten Drehzahl.

Wenn die Sollfrequenz erreicht ist, kann der Strom entweder weiterhin der nichtkritischen Last 76 zugeführt werden, wenn man dies wünscht oder er kann wahlweise über Leitungen 84 dem Netz zugeführt werden, welches den Strom der Sollfrequenz führt, wobei die phasenstarre Schaltung 88 dazu dient, den Generator mit dem System synchron arbeiten zu lassen. Eine wahlweise Verbindung des Generators mit der Last 76 oder über Leitung 84 mit dem Netz wird durch die Laststeuerschaltung 66'in einer solchen Weise bewirkt, daß die Betriebsbedingungen des Generators aufrechterhalten werden.

Wenn der Ständer 16 sich zu drehen beginnt, übernimmt die Welle 32 die Aufgabe einer Eingangswelle, die der Welle 26 entspricht und die Betriebsweise des Generators 12 entspricht derjenigen des Generators 10. Wenn die Ausgangsgröße des Generators 12 die Sollfrequenz erreicht und der Ständer 20 zur Drehung freigegeben wird, treibt er die Welle 38 an und die überschüssige Leistung wird durch die dynamische Bremse 42 absorbiert. Wenn man im voraus bei dem Entwurf der Anlage weiß, daß die relative Windleistung

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an dem Aufstellungsort häufig über die Kapazität der beiden Generatoren hinausgeht, dann können ein oder mehrere weitere Generatoren der Reihe von Generatoren hinzugefügt werden, wobei der Ständer des letzten Generators mit der dynamischen Bremse antriebsmäßig verbunden ist.

Die Feldregelschaltungen 56 und 60 regeln die Erregung der Feldwicklungen der Generatoren 10 und 12 so, daß jeder Generator eine gewünschte Spannung erzeugt, wenn die Ausgangsfrequenz der Sollfrequenz entspricht.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage dient in erster Linie zur Erzeugung von Strom, der in ein normales Netz z.B. das öffentliche Netz eingespeist wird, und die Ständer werden von Anfang an so entworfen» daß sie drehbar gelagert sind. Wenn es erwünscht ist, eine Anlage mit verhältnismäßig kleiner Leistung zu entwerfen, bei der übliche normale Generatoren verwendet werden können, kann die Anlage nach Fig. 2 ausgebildet werden.

Bei dieser Ausführungsform sind zwei übliche Wechselstromgeneratoren 104 und 106 mit je einem Lager vorgesehen, die für ortsfeste Aufstellung konstruiert sind. Der Generator 104 hat einen Läufer 108 und einen Ständer 110, und der Generator 106 hat einen Läufer 112 und einen Ständer 114. Jeder Generator ist in einem Rahmen 116 montiert, der aus zwei Scheiben 118 und 120 aufgebaut ist, die durch vier Stäbe 122 verbunden sind, deren Vorsprünge 124 den Ständer starr unterstützen und tragen. Ähnlich wie in Fig. 1 ist jede zweite Scheibe mit einer Welle 126 versehen, die in einem Lager 128 mit Sperrvorrichtung läuft. Die erste Welle 126 treibt den Läufer 112 und die zweite Welle 126 ragt in die dynamische Bremse 130 hinein. Die Scheiben 118 sind in Lagern 132 gelagert, von denen die eine auf der Läuferwelle 126 montiert ist, während die · andere auf der Läuferwelle 134 angebracht ist. Die Antrlebs-

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welle 136 treibt ein Über- oder Untersetzungsgetriebe 138, welches die Antriebswelle 134 in einem geeigneten Geschwindigkeit sbereich antreibt.

Fig. 4 zeigt eine Anlage mit zwei Generatoren, bei der ein zweiter Generator konzentrisch zu dem ersten Generator angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform enthält die Anlage 140 eine Antriebswelle 142, die mit dem ersten Läufer 11 verbunden ist. Ein Bauteil 146 ist als drehbar montierter Ring oder Zylinder ausgebildet, der eine innere Wicklung trägt, die als Wicklung des ersten Ständers dient und eine äußere Wicklung, die als Wicklung--des zweiten Läufers dient. Der Bauteil 148 stellt also den drehbar gelagerten zweiten Ständer dar» Eine Konstruktion dieses allgemeinen Prinzips kann in derselben Weise betrieben werden, wie die Anlage der Fig. 1 und der Ständer 148 ist mit Einrichtungen versehen, die einen zusätzlichen Läufer oder eine dynamische Bremse antreiben.

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Claims

Dr.-Ing. Wilhelm MgM ^ tn b 9 b

Dipl-lng. Woi&aig MM 9054

6 Frankfurt a. M. 1
Paiksfraße 13

FRANKLIN WELLINGTON BAUMGARTNER, Denver, Colorado, VStA

Patentansprüche

1 .y Wechselstromgeneratoranlage,
gekennzeichnet durch zwei Wechselstromgeneratoren mit je einem Läufer und einem Ständer, bei denen der Ständer des ersten Generators drehbar gelagert ist und in Antriebsverbindung mit dem Läufer des zweiten Generators steht, durch eine Sperrvorrichtung, die den Ständer des ersten Generators lösbar gegen Drehung sperrt, durch eine drehbare Antriebswelle, die in Antriebsverbindung mit dem Läufer des ersten Generators steht und von einer Primär-Antriebsmaschine mit stark schwankender Drehzahl in einem Bereich antreibbar ist, der sich über denjenigen hinaus erstreckt, der erforderlich ist, um eine gewünschte Sollfrequenz in dem ersten Generator zu erzeugen, und durch Regeleinrichtungen, die auf das Erreichen der Sollfrequenz mit Hilfe des im ersten Generator erzeugten Stroms ansprechen und in Abhängigkeit von der zunehmenden Drehzahl der Antriebswelle bei Erreichen der Sollfrequenz bewirken, daß die Sperrvorrichtung den Ständer des ersten Generators freigibt, während die Regeleinrichtungen die Drehzahl des ersten Ständers so regeln, daß er eine relative Drehzahl zwischen ihm und dem Läufer des ersten Generators einhält, die der Sollfrequenz entspricht, wobei der Läufer des zweiten Generators von dem ersten Ständer mit einer Drehzahl angetrieben wird, die der Differenz zwischen der Drehzahl der Antriebswelle und der relativen Drehzahl von Läufer und Ständer des ersten Generators entspricht.

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ORIGINAL INSPECTED

2. Anlage nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ständer drehbar gelagert ist und in Antrieb sverbindung mit einer regelbaren Last steht, daß die Anlage ferner eine Sperrvorrichtung für den zweiten Ständer enthält, die den Ständer gegen Drehung lösbar sperrt, und daß die Regeleinrichtungen bewirken,'daß der zweite Ständer für Drehung freigegeben wird, wenn die Frequenz des vom zweiten Generator erzeugten Stroms den Wert der Sollfrequenz erreicht.

3» Anlage nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch einen oder mehrere '.^eitere Generatoren mit drehbar gelagerten Läufern und Ständern und zugehörigen Sperrvorrichtungen, die die Ständer unabhängig lösbar gegen Drehung sperren, bei der die weiteren Generatoren zwischen dem zweiten Generator und der regelbaren Last angeordnet sind und ihre Läufer und Ständer antriebsmäßig verbunden sind, wie bei dem ersten und zweiten Generator, und bei der die Regeleinrichtungen eine Regelung über den weiteren Generator ausüben, die ähnlich wie die des ersten und zweiten Generators ist.

4. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen eine Bezugsquelle haben, die ein Signal der Sollfrequenz erzeugt und daß für jeden Generator mit einem drehbar montierten Ständer die Regeleinrichtungen eine Laststeuerschaltung enthalten, die elektrisch mit dem zugeordneten Ständer verbunden ist sowie eine phasenstarre Schaltung, die elektrisch über die zugehörige Laststeuerschaltung mit dem zugehörigen Ständer verbunden ist, um die Frequenz des von dem Generator erzeugten Stromes festzustellen, daß die phasenstarre Schaltung mit der Sperrvorrichtung verbunden ist«, die zu dem zugeordneten Ständer gehört und bewirkt, daß die Frequenz des Stromes, der von dem

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zugeordneten Generator erzeugt wird, festgestellt wird und mit der Sollfrequenz der Bezugsgröße verglichen wird, um dadurch die Entsperrung der zugehörigen Sperrvorrichtung zu bewirken, so daß der Ständer umlaufen kann, daß die zugehörige LastSteuerschaltung bewirkt, die Belastung des Generators zu ändern, um den richtigen Arbeitszustand des Generators aufrecht zu erhalten, bei dem der Ständer relativ zu dem Läufer mit einer Drehzahl umläuft, die der Sollfrequenz entspricht.

5. Anlage nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung für jeden Generator einen drehbaren Ständer enthält und daß eine Feldregelschaltung elektrisch mit der Feldwicklung des zugehörigen Generators verbunden ist, um eine gewünschte Spannung zu erzeugen, wenn der Generator einen Strom mit der Sollfrequenz abgibt.

6. Anlage nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Laststeuerschaltung selektiv mit einer ersten Art der Belastung verbindbar ist, um die Ausgangsgröße des zugeordneten Generators bei unterhalb der Sollfrequenz und der gewünschten Spannung liegenden Werten aufzunehmen und daß sie mit einer zweiten Art der Belastung verbindbar ist, um die Ausgangsgröße des Generators bei der Sollfrequenz und der gewünschten Spannung aufzunehmen.

7. Anlage nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Last eine dynamische Bremse ist.

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8. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder drehbar montierte Ständer mit einer Antriebswelle versehen ist, die in einem Stützlager montiert ist und daß die zugehörige Sperrvorrichtung mit dem Lager verbunden ist und selektiv betätigt werden kann, um die Antriebswelle festzulegen und ihre Drehung zu verhindern.

9. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder drehbar gelagerte Ständer starr in einem Rahmen montiert ist und daß der Rahmen gegenüber dem zugeordneten Läufer umlaufen kann.

10. Anlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren konzentrisch ineinander angeordnet sind, wobei der erste Läufer den innersten Bauteil bildet, der erste Ständer und der zweite Läufer einen zweiten Bauteil bilden, der den ersten Läufer umgibt und daß der zweite Ständer einen dritten Bauteil bildet, der den zweiten Bauteil umgibt.

11. Wechselstroffigeneratoranlage,
gekennzeichnet durch mehrere Wechselstromgeneratoren mit je zwei relativ zueinander drehbaren ersten und zweiten Generatorbauteilen, die alle drehbar gelagert sind, wobei jeweils der zweite Bauteil lösbar gegen Drehung gesperrt ist, durch eine drehbare Antriebswelle, die von einer Primär-Antriebsmaschine mit stark veränderlicher Drehzahl antreibbar ist, wobei die Antriebswelle in Antriebsverbindung mit dem ersten Bauteil des ersten Generators steht und jeder zweite Bauteil in Antriebsverbindung mit dem ersten Bauteil des nachfolgenden Generators steht, wobei ferner der zweite Bauteil des . letzten Generators der Reihe von Generatoren in Antriebsverbindung mit einer regelbaren Last steht und der Bereich

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der Drehzahl der Antriebswelle über den hinaus geht, der erforderlich ist, um eine gewünschte Sollfrequenz in mindestens einem der Generatoren zu erzeugen, und durch Regeleinrichtungen, die wahlweise und der Reihe nach das Erreichen der Sollfrequenz des Stromes feststellen, der von dem ersten und den nachfolgenden Generatoren erzeugt wird und die in Abhängigkeit von dem Erreichen dieser Frequenzen ansprechen, um den zweiten Generatorbauteil des ersten Generators zu entsperren und seinen Umlauf zu ermöglichen und eine relative Drehzahl zwischen ihm und dem ersten Bauteil aufrechtzuerhalten, die der Sollfrequenz entspricht, und dabei den ersten Bauteil des zweiten Generators anzutreiben und der Reihe nach die zweiten Bauteile der nachfolgenden Generatoren zu. entsperren, wenn sie die Sollfrequenz erreichen.

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