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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Dämpfung mechanischer Torsionsschwingungen des aus einem elektrischen Wechselstromgenerator und einer Antriebsmaschine bestehenden schwingungsfähigen Systems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung ist im wesentlichen bekannt aus der DE-OS 19 62 412.
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Bei elektrischen Maschinen können die rotierenen Teile der Maschine zu einem torsionsschwingungsfähigem System gehören, wobei beim Auftreten von Schwingungen die Welle der Maschine starken Torsionsbeanspruchungen ausgesetzt ist. Als Beispiel für eine Maschine, bei der hohe Beanspruchungen durch Torsionsschwingungen auftreten können, kann ein von einer Dampfturbine angetriebener Turbogenerator genannt werden. Das schwingungsfähige System wird durch die Massen des Dampfturbinenläufers und des Turbogeneratorläufers und die diese beiden Massen verbindende Welle gebildet. Dieses schwingungsfähige System kann schwach gedämpfte und relativ niederfrequente Torsionsschwingungen mit einer Frequenz von beispielsweise einigen Dekaden Hz ausführen. Solche Schwingungen können beispielsweise bei der Synchronisierung, bei Kurzschluß oder beim Anschluß des Generators an eine reihenkompensierte Energieübertragungsleitung auftreten. In gewissen Fällen, beispielsweise dann, wenn der Generator über einen Stromrichter an eine Übertragungsleitung für hochgespannten Gleichstrom angeschlossen ist, hat es sich sogar gezeigt, daß die Dämpfung der Schwingungen negativ werden kann. Dies gilt insbesondere für Maschinen, bei denen die Torsionsschwingungen eine niedrige Eigenfrequenz haben; hierdurch kann es unmöglich werden, eine solche Maschine bei einer Hochspannungs-Gleichstromübertragung zu verwenden.
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Aus der DE-OS 19 62 412 ist eine HGÜ-Anlage bekannt, bei der an den Stromrichter der Gleichrichterstation wechselspannungsseitig ein Wechselstromgenerator angeschlossen ist. Wird die Gleichstromleistung der HGÜ-Anlage geändert, zum Beispiel vergrößert, dann führt das zu einem vorübergehenden Abfall der Generatordrehzahl. Dies wird durch einen Drehzahlregelkreis ausgeglichen, dessen Stellglied das von einem Stellmotor verstellbare Dampfventil zur Turbine ist. Der Drehzahlabfall soll dabei einerseits möglichst schnell ausgeglichen werden. Jedoch kann der Drehzahlregelkreis erst wirksam werden, wenn sich der Drehzahlabfall bemerkbar macht. Andererseits darf die Verstellung des Dampfventils nur mit einer bestimmten Höchstgeschwindigkeit erfolgen. Um diese Drehzahlregelung zu beschleunigen, ist vorgesehen, daß der Drehzahlregler zusätzlich von einem Signal beaufschlagt wird, das von der Verstellung der Übertragungsleistung der HGÜ-Anlage abhängig ist. Es geht also um die Beschleunigung der Beseitigung des Drehzahlabfalls oder -anstiegs nach einer Änderung der Gleichstromleistung, wobei von der HGÜ-Steuerung in die Steuerung der Dampfzufuhr zur Turbine eingegriffen wird. Dabei wird zur Messung der Generatordrehzahl eine Tachometermaschine zu verwenden. Mit einer Beseitigung von Torsionsschwingungen des Generator-Turbinensatzes befaßt sich diese Druckschrift nicht.
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Aus der US-PS 39 99 115 ist eine Anordnung zur Unterdrückung oder Verkleinerung von Torsionsschwingungen eines Generator- Turbinensatzes bekannt. Diese Anordnung arbeitet unabhängig von einer HGÜ-Anlage. Sie besteht darin, daß die Ausgangsspannung des Generators unter Beachtung richtiger Vorzeichen mit einer Zusatzspannung in Reihe geschaltet wird, deren Form und Größe von einer modulierten Spannung abhängig ist, die sich wie folgt zusammensetzt: Die Trägerfrequenz der modulierten Spannung ist die Referenzfrequenz des Generators und die überlagerte Spannung entspricht den Drehzahlschwankungen des Generators, die durch die Torsionsschwingungen zustande kommen. Die Dämpfung der Torsionsschwingungen wird also nach dieser Druckschrift dadurch erreicht, daß auf der Drehstromseite der Generatorspannung eine zusätzliche von der Drehzahlschwankung abhängige Spannung entgegengeschaltet wird. Eine HGÜ-Anlage ist an dieser Kompensationsanordnung nicht beteiligt.
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In der BBC-Nachrichten 1970, Seite 295-302 wird eine auf konstante Wirkleistung geregelte HGÜ-Anlage beschrieben, die mit einer Drehstromleitung parallel arbeitet. Dabei tritt das Problem auf, daß bei einem Kurzschluß auf der Drehstromleitung die Frequenz des Drehstromnetzes an der Gleichrichterstation hochläuft, was zu Pendelungen zwischen den beiden Netzen führt und eine Unstabilität des Netzes bedeutet. Um dem entgegenzuwirken, wird vorgeschlagen, die übertragene Gleichstromleistung entweder in Abhängigkeit der Differenz der Frequenzen der Drehstromnetze an den beiden Enden der HGÜ-Anlage oder den Polradwinkel des Generators des in die HGÜ-Anlage einspeisenden Netzes derart auf die Steuerwinkel der HGÜ-Anlage einwirken zu lassen, daß die übertragene Gleichstromleistung steigt. Diese Maßnahme zielt nicht auf die Beseitigung von Torsionsschwingungen des Generator-Turbinensatzes, sondern auf die Verhinderung des Kippens des Generators durch Hochlaufen des Polradwinkels auf über 90 Grad elektrisch, und zwar für den genannten speziellen Fall zweier paralleler Leitungen.
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In der Brown-Boveri-Mitteilungen 1969, Seite 112-120 wird ebenfalls auf die Möglichkeit der Stabilisierung von Netzen durch HGÜ-Anlagen eingegangen, wobei konkret der in der vorgenannten Druckschrift beschriebene Fall behandelt wird, daß zwei Drehstromnetze über eine Drehstromleitung und eine parallele Gleichstromleitung miteinander verbunden sind. Das Problem besteht hierbei in den Schwingungen (Frequenzabweichungen) zwischen den beiden in der genannten Weise verbundenen Drehstromnetzen. Zwischen den Schwungmassen dieser beiden Netze kann es zu Schwingungen und einem Außertrittfallen kommen. Durch die günstigen Möglichkeiten der Leistungsregelung in HGÜ-Anlagen kann dem entgegengewirkt werden. Als zu messende Größe für die Beeinflussung der HGÜ-Anlage werden auch hier die Differenz der Phasenwinkel zwischen den Spannungen der Sammelschienen der beiden Netze und ihrer Zeitableitungen genannt.
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Aus der US-PS 34 65 235 ist es zum Zwecke der Dämpfung von Leistungspendelungen, deren Eigenfrequenz sowohl vom Generator als auch von den übrigen mit dem Generator verbundenen rotierenden Maschinen bestimmt werden, bekannt, mittels Filterung und Phasendrehung eine Frequenzkennlinie einzustellen. Aus dieser Druckschrift ist auch bekannt, ein frequenzmessendes Glied an die Statorspannung des Generators anzuschließen.
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Aus der DE-AS 18 11 199 ist es bekannt, bei der Regelung eines Stromrichters zur Beseitigung des Einflusses von Oberwellen in der Wechselspannung die Abgabe von Zündimpulsen für die Ventile des Stromrichters mit Hilfe einer linear ansteigenden Spannung zu bestimmen, die nach Erreichung eines einstellbaren Wertes einen Zündimpuls abgibt und auf Null zurück gestellt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die es ermöglicht, die von den genannten Torsionsschwingungen verursachten mechanischen Beanspruchungen hinsichtlich ihrer Amplitude und Zeitdauer wesentlich zu vermindern, so daß es möglich ist, auch Generatoren mit niedrigen Eigenschwingungsfrequenzen auf Hochspannungs-Gleichstromübertragungsanlagen (HGÜ-Anlagen) arbeiten zu lassen.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt
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Fig. 1 eine Anordnung gemäß der Erfindung bei einem Turbogenerator,
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Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der die Erfassung der Drehzahlvariationen des Generators durch Messung der Frequenz der vom Generator erzeugten Spannung erfolgt.
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Fig. 1 zeigt einen Maschinensatz mit einer Dampfturbine TU, die eine Hoch-, Zwischen- und Niederdruckstufe HP, MP und LP hat. An die Turbine ist ein elektrischer, dreiphasiger Wechselstromgenerator G angeschlossen. Die Wellen des Generators und der Turbine sind zu einer gemeinsamen Welle SH miteinander verbunden. Der Generator G ist über einen Transformator T 1 an ein Drehstromnetz N angeschlossen. An dasselbe Netz ist ein Stromrichter SR über einen Transformator T 2 angeschlossen. Der Stromrichter überträgt Leitung von dem Netz N auf ein Gleichspannungsnetz L. Hierbei kann es sich z. B. um eine Übertragungsleitung für hochgespannten Gleichstrom handeln. Der Stromrichter SR enthält eine Stromrichterbrücke mit sechs Thyristorventilen TR 1-TR 6. Der Stromrichter hat ein Steuersystem der in der DE-PS 18 11 199 beschriebenen Art.
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Ein Ringzähler RC gibt der Reihe nach Steuerimpulse von angemessener Dauer in korrekter Reihenfolge an die verschiedenen Ventile der Brücke. Jedesmal, wenn der Ringzähler einen Impuls SP von der Kippstufe MV erhält, geht er einen Schritt weiter, wobei ein Steuerimpuls an das nächstfolgende Ventil gegeben wird. Die Kippstufe MV wird über einen Niveaudetektor LD jedesmal dann aktiviert, wenn das Ausgangssignal s des Summierungsgliedes SM positiv wird.
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Ein Spannungswandler UT erfaßt die Wechselspannung u des Stromrichters, die einem Glied PIC zugeführt wird, das anhand des Abstandes zwischen den Nulldurchgängen der Wechselspannung eine Größe T/n berechnet, wobei T der Periodendauer der Wechselspannung und n der Pulszahl des Stromrichters entspricht (in dem gezeigten Fall ist n = 6). Die Größe T/n wird einem negierten Eingang des Summierungsgliedes SM zugeführt. Ein zeitmessendes Glied TT, beispielsweise ein Integrator mit konstanter Eingangsspannung, wird bei jedem Steuerimpuls auf Null zurückgestellt. Das Ausgangssignal t des Gliedes TT entspricht also der seit dem Erscheinen des letzten Steuerimpulses vergangenen Zeit und wird dem Summierungsglied SM zugeführt. Jedesmal, wenn t = T/n wird, wechselt - sofern keine weiteren Größen dem Summierungsglied zugeführt werden - das Ausgangssignal s des Summierungsgliedes von Minus nach Plus, und ein Steuerimpuls wird an den Stromrichter gegeben.
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Zur Steuerung des Steuerwinkels, d. h. zur Steuerung der Phasenlage der Steuerimpulse relativ zur Wechselspannung, ist ein Stromregler IR vorgesehen. Von einem Potentiometer P wird dem Regler ein Sollwert I r für den Gleichstrom des Stromrichters zugeführt. Ein Strommeßgerät IM, z. B. ein Meßtransduktor, liefert ein dem Gleichstrom des Stromrichters proportionales Signal I, das dem Regler IR mit umgekehrtem Vorzeichen zugeführt wird. Das Ausgangssignal Δ i des Reglers ist eine Funktion der Regelabweichung I-I r . Das Signal Δ i wird dem Summierungsglied SM zugeführt und beeinflußt die Frequenz der Steuerimpulse und somit deren Phasenlage und den Steuerwinkel des Stromrichters in solcher Weise, daß der Istwert des Stroms den Sollwert I r annimmt.
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Ein Tachometergenerator TG ist mechanisch an den Generator G gekoppelt und liefert ein Gleichspannungssignal n, das dem Augenblickswert der Winkelgeschwindigkeit des Generators proportional ist. Dieses Signal wird einen Bandpaßfilter BF zugeführt. Dieses ist so bemessen, daß es Signale mit einer Frequenz durchläßt, die eine Torsionseigenschwingungsfrequenz des schwingungsfähigen Systems darstellen, welches aus der Welle SH und den beiden darauf befindlichen Massen des Turbinenläufers und Generatorläufers des Maschinensatzes gebildet wird. Das Filter kann relativ breitbandig sein, z. B. mit einem Durchlaßbereich von 10-40 Hz, und kann dann die Eigenfrequenzen mehrerer unterschiedlicher Torsionsschwingungsmoden hindurchlassen. Dagegen werden die Signalkomponenten mit Frequenzen in anderen Bereichen als dem, in dem die betreffenden Torsionsschwingungen vorkommen können, gedämpft.
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Das Ausgangssignal n&min; des Bandpaßfilters wird einem Glied DR zur Amplitudenbegrenzung und Anpassung des Signals zugeführt. Das Ausgangssignal n&min;&min; des Gliedes DR wird dem Summierungsglied SM zugeführt. Dieses Signal entspricht den von den Torsionsschwingungen verursachten Variationen in der Drehzahl des Generators. Ein positiver Wert des Signals n&min;&min; bedeutet, daß die Drehzahl des Generators höher als der Durchschnittswert ist und hat eine Erhöhung der Frequenz der Steuerimpulse und damit eine zeitliche Vorverlegung der Steuerimpulse, d. h. eine Verkleinerung des Steuerwinkels des Stromrichters zur Folge. Dies wiederum verursacht eine Erhöhung der Gleichspannung und des Stroms des Stromrichters und damit eine Erhöhung der an die Gleichstromleitung abgegebenen Wirkleistung des Stromrichters. Dieser Leistungsanstieg verursacht eine Erhöhung des im Generator erzeugten Bremsmomentes. In entsprechender Weise verursacht ein negativer Wert des Signals n&min;&min; eine Verminderung der Wirkleistung des Stromrichters und damit des im Generator erzeugten bremsenden Drehmomentes.
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Bei der beschriebenen Anordnung werden also der Strom und die Leistung des Stromrichters bei Torsionsschwingungen des Maschinensatzes derart moduliert, daß den Schwingungen entgegengewirkt wird. Hierdurch erhält man eine effektive Dämpfung von auftretenden Torsionsschwingungen. Dies hat einerseits zur Folge, daß die mechanischen Beanpruchungen im Maschinensatz, insbesondere der Welle SH, bedeutend reduziert werden, und andererseits, daß es möglich wird, Maschinensätze mit niedrigen Eigenschwingungsfrequenzen an einen Stromrichter anzuschließen, beispielsweise zur Energieübertragung mit hochgespanntem Gleichstrom.
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Die Amplitude der Leistungsmodulation, die durch die Anordnung nach der Erfindung vorgenommen wird, kann im Vergleich zu der vom Stromrichter normalerweise übertragenen Leistung klein sein, und die normale Arbeitsweise des Stromrichters wird durch die erfindungsgemäße Leistungsmodulation nicht beeinträchtigt.
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Wenn der Stromrichter SR zu der einen Stromrichterstation einer HGÜ-Anlage gehört, ist ein entsprechener Stromrichter am anderen Ende der Gleichstromübertragungsleitung vorhanden. Die Leistungsmodulation kann dann alternativ durch den letztgenannten Stromrichter erfolgen.
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Die effektivste Dämpfung erhält man, wenn die Stromrichterleistung im Vergleich zu der Leistung des Generators nicht klein ist, und die Erfindung bietet in den Fällen die größten Vorteile, in denen die Stromrichterleistung von gleicher Größenordnung wie die des Generators ist.
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Beim Dämpfen von Torsionsschwingungen eines Maschinensatzes mit mehreren Eigenfrequenzen oder bei der Dämpfung von Torsionsschwingungen mehrerer an denselben Stromrichter angeschlossener Maschinensätze mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen können mehrere Bandpaßfilter BP, von denen jedem vorzugsweise ein eigenes Anpassungs- und Amplitudenbegrenzungsglied DR zugeordnet ist, vorhanden sein, um den Steuerwinkel des Stromrichters in der anhand von Fig. 1 erläuterten Weise zu beeinflussen. Jedes Bandpaßfilter läßt dann eine Eigenfrequenz des Maschinensatzes hindurch, deren Drehzahlvariationen es zugeführt bekommt.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung beeinflußt das Signal, das den Drehzahlvariationen entspricht (das Ausgangssignal des Bandpaßfilters), direkt den Steuerwinkel des Stromrichters. Mit " direkt" ist dabei gemeint, daß das Signal den steuerwinkelbestimmenden Gliedern des Stromrichters direkt zugeführt wird und nicht über diesen Gliedern vorgeschaltete Strom- oder Leistungsregler. Solche Regler verursachen nämlich bei den vorkommenden Frequenzen eine Dämpfung und/oder Phasendrehung von solcher Größe, daß die gewünschte Dämpfung der Torsionsschwingungen nicht erreicht werden kann.
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In Fig. 1 ist gezeigt worden, wie man das drehzahlabhängige Signal von einem an den Generator angeschlossenen Tachometergenerator erhält. Ein Signal, das den Augenblickswert der Winkelgeschwindigkeit des Generators abbildet, kann auch mit anderen bekannten Drehzahlmessern gewonnen werden, beispielsweise mit einem gezahnten oder geriffelten Rad mit magnetischer oder optischer Abtastung und Umwandlung der gewonnenen Impulsfolge in eine entsprechende Gleichspannung. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den verwendeten Drehzahlgeber an den Generator anzuschließen. Er soll jedoch mechanisch dicht mit dem Generator verbunden sein, so daß er den Drehzahlvariationen des Generators gut folgt.
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Eine andere Möglichkeit zur Gewinnung eines die Drehzahlvariationen des Generators in dem betreffenden Frequenzbereich abbildenden Signals besteht darin, die Generatorwelle mit einem Torsionsgeber auszurüsten, der ein dem Torsionsmoment der Welle entsprechendes Signal abgibt. Dieses Signal wird den steuerwinkelbestimmenden Gliedern des Stromrichters zur Beeinflussung des Steuerwinkels zugeführt, eventuell über phasendrehende Glieder, um eine korrekte Phasenlage bei der Leistungsmodulation zu erhalten.
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Eine dritte Möglichkeit, ein den Drehzahlvariationen entsprechendes Signal zu erhalten, zeigt Fig. 2. Diese Anordnung ist mit der in Fig. 1 gezeigten mit Ausnahme folgender Abweichung identisch: Die Drehzahlmessung ist durch eine Messung der Frequenz der vom Generator G erzeugten Spannung ersetzt. Diese Methode kann angewendet werden, wenn der Generator allein oder im wesentlichen allein die Frequenz des Netzes N bestimmt, die dann ein Maß für den Augenblickswert der Drehzahl des Generators ist. Ein die Frequenz des Netzes N messendes Glied FM ist an das Netz N angeschlossen und liefert ein Signal f, das ein Maß für den Augenblickswert der Frequenz ist. Die Frequenzmessung kann auf eine an sich bekannte Weise durchgeführt werden, indem man beispielsweise die Dauer der Halbperioden der Wechselspannung mißt. Das Signal f wird in einem der Eigenfrequenz der im konkreten Fall zu erwartenden Torsionsschwingungen angepaßten Bandpaßfilter BF gefiltert. Das Ausgangssignal f&min; des Filters ist ein Maß für die von den Torsionsschwingungen herrührenden Drehzahlvariationen. Da die Frequenzmessung mit einer gewissen Verzögerug behaftet ist, wird das Signal f&min; dem Anpassungsglied DR über ein phasendrehendes Glied PCH zugeführt, das eine positive Phasendrehung solcher Größe bewirkt, daß die negative Phasendrehung durch das frequenzmessende Glied FM und eventuelle weitere negative Phasendrehungen kompensiert werden.
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Das Bandpaßfilter BF soll schmalbandiger sein als bei der Anordnung nach Fig. 1, da die Frequenzmessung unerwünschte Schwingungen im Meßsignal f verursachen kann. Der Q-Wert des Filters kann beispielsweise 10 sein. (Q ist die Gütezahl, also der Quotient aus Resonanzfrequenz und Bandbreite des Filters).
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Wird eine Dämpfung mehrerer Schwingungen mit verschiedenen Eigenfrequenzen (in derselben Maschine oder in verschiedenen an den Stromrichter angeschlossenen Maschinen) gewünscht, so kann das Meßsignal f mehreren den in Betracht kommenden Frequenzen angepaßten Bandpaßfiltern zugeführt werden, deren Ausgangssignale über Phasendrehungs- und Anpassungsglieder dem Summierungsglied SM zur Beeinflussung des Steuerwinkels des Stromrichters zugeführt werden.
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Die in den Figuren gezeigte Ausführungsform der Anordnung zur Erzeugung der Steuerimpulse für den Stromrichter ist nur ein Beispiel. Die Erfindung kann in entsprechender Weise auch bei anderen Anordnungen zur Erzeugung der Steuerimpulse verwendet werden.
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Das Drehstromnetz N braucht kein weit verzweigtes energieverteilendes Netz im eigentlichen Sinne zu sein. Die Gesamtanordnung kann auch so beschaffen sein, daß der Generator G nur an den Stromrichter SR angeschlossen ist, wobei das "Netz" N nur von der den Generator und den Stromrichter verbindenden Stromschiene gebildet wird.