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STAND DER TECHNIK
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen
Kopplers und auf einen elektrischen Koppler der Art, wie er im Anspruch
2 beschrieben ist.
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Ein
solcher Koppler ist beispielsweise bekannt für die Steuerung einer Windmühle mit
einem Asynchrongenerator oder für
die Steuerung eines großen
Asynchronmotors. Die Basis für
die Kopplersteuerung bei den bekannten Kopplern ist beispielsweise
die Messung der sich ergebenden Generatorspannung im Fall einer
Windmühle.
Tatsächlich
jedoch findet die Kopplersteuerung auf der Basis einer indirekten
Messung statt, wobei die Generatorspannung und der Generatorstrom
abhängen
von vielen Faktoren, so daß es
nicht möglich
ist, eine präzise Steuerung
auf der Basis einer Messung der sich ergebenden Generatorspannung
und/oder des Generatorstroms durchzuführen, ohne unter verschiedenen
Bedingungen zu Momentdiskontinuitäten zwischen dem Netz und der
Windmühle
zu gelangen oder zwischen dem Netz und einem Asynchronmotor, abgängig von
der Richtung der Energie. Bei diesen bekannten Steuerungen kann
es daher schwierig sein, die Momentdiskontinuitäten, die Stromimpulse in den
Netzleitungen verursachen, innerhalb der Erfordernisse zu halten,
die dafür
vom Eigner des Versorgungsnetzes festgelegt wurden und es ist insbesondere
schwierig, die Momentdiskontinuitäten zu minimieren, wenn ein
Einschalten stattfindet und wenn die zugeführte gelieferte Leistung klein
ist verglichen mit der Nennleistung des Generators oder des Motors.
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Die
Druckschrift
US 4 656
413 A , die als nächstliegender
Stand der Technik zu der vorliegenden Anmeldung zu betrachten ist,
beschreibt einen elektrischen Koppler für das Einschalten und das Ausschalten
eines Windmühlengenerators
gegenüber
dreiphasigen Wechselstromnetzlei tungen. Hier wird der elektrische
Koppler auf der Basis einer Messung der Generatorspannung und des
Generatorstroms gesteuert. Weiterhin wird die Umdrehungszahl des
Generators durch einen Drehzahlzähler
gemessen, um Sicherheitsgrenzen festzulegen, und darüberhinaus
hat der Koppler eine Vorrichtung zur Messung der Windgeschwindigkeit,
um die elektrische Verbindung zwischen dem Generator und dem Netz
zu lösen,
wenn die Windgeschwindigkeit sich unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit
befindet. Dieser Koppler und das Verfahren zu seiner Steuerung haben
gezeigt, daß der
natürliche
Verbrauch, vorzugsweise für
die Magnetisierung des Asynchrongenerators nicht auf weniger als
4–8% reduziert
werden kann. Wenn nur ein schwacher Wind weht, das heißt, wenn
die Mühle
mit dem Netz verbunden ist und der Generator nur ein Minimum an Energie
erzeugt, so beträgt
der natürliche
Verbrauch immer noch 4–8%
der Maximalleistung, die der Generator erzeugen kann. Dies ist offensichtlich
unter dem ökonomischem
Gesichtspunkt nicht akzeptabel. Darüberhinaus liefert der elektrische
Koppler ein Steuerverfahren, bei dem der Generator bei schwachem
Wind vom Netz getrennt wird, um zu vermeiden daß das Netz den Generator als
Motor betreibt, was zu einem fortwährenden Einschalten und Ausschalten
bei geringem Wind führt,
was zu einer Momentdiskontinuität
an der Generatorwelle führt
und entsprechenden Stromimpulsen vom Generator.
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Schließlich liefert
die Druckschrift
US
4 656 413 A eine detaillierte Darstellung der historischen Entwicklung
von Windmühlen,
die elektrische Energie erzeugen, so daß darauf in diesem Zusammenhang
nicht weiter eingegangen wird.
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Die
Druckschrift
US 4 473
792 A beschreibt einen elektrischen Koppler zwischen einem
einphasigen Wechselstromnetz und einem einphasigen asynchronen Motor
oder Generator. Der elektrische Koppler enthält zwei antiparallel geschaltete,
elektrisch steuerbare, netzgeführte
Thyristoren, die über
ein Triggersignal gezündet
werden. Das Triggersignal wird von einer Steuereinheit generiert,
und zwar immer gegen Ende einer jeden Halbperiode des Netzstromes,
so dass die Erregerleistung des Generators verringert und die in
das Netz eingespeiste Nutzleistung erhöht wird.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 348 938 A1 ist eine Windkraftanlage mit Asynchronmotor,
einem Stromzwischenkreis-Umrichter und einer stufig schaltbaren
Kondensatorbaugruppe bekannt. Die Windkraftanlage kann wahlweise
an ein Netz oder direkt an einen Verbraucher angeschlossen werden. Der
Stromzwischenkreis-Umrichter, mit dem der Asynchronmotor an das
Netz angeschlossen wird, enthält
einen Gleichrichter, eine Zwischenkreisdrossel und einen Wechselrichter.
Für den
Fall, dass der Asynchrongenerator direkt an den Verbraucher angeschlossen
wird, wird der Wechselrichter kurzgeschlossen, so dass ein Blindleistungs-Steller
aus den Komponenten Gleichrichter und Zwischenkreisdrossel erhalten
wird.
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Die Druckschriften
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- Kalasnikow, V.I.: Blindleistungskompensation von elektrischen
Antrieben, in Elektrie, 43, 1989, Seite 8,
- Lê,
Thanh-Nam: Kompensation schnell veränderlicher Blindströme eines
Drehstromverbrauchers, in etz-Archiv, Bd. 11, 1989, Heft 8, Seiten
249–253,
- Pfeiffer, R.: Das Schalten von Leistungskondensatoren mit gesteuerten
Halbleiterventilen und elektronischen Messeinrichtungen, in ETZ-A
Band 92, 1971, Heft 1, Seiten 52–55,
- Fischer, H.: Blindstromüberlastbarkeit
von kondensatorerregten Asynchrongeneratoren, in etz Band 107, 1986,
Heft 4, Seiten 156–158,
beschreiben
Vorrichtungen zur kapazitiven Kompensation des Blindstromes. Ihnen
ist gemeinsam, dass es darum geht, mit einem Phasenschieber Bindstrom zu
erzeugen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Steuerung
eines elektrischen Kopplers und einen elektrischen Koppler zur Verfügung zu
stellen, der stufenlos steuerbar ist und ein Minimum an Momentdiskontinuitäten zwischen
einem mehrphasigen Netz und einem asynchronen Generator aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Die abhängigen
Patentansprüche
zeigen vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung
auf.
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Im
Falle eines Asynchrongenerators in einer Windmühle ist es darüberhinaus
möglich,
den natürlichen
Verbrauch des Generators bei niedrigen Windgeschwindigkeiten bis
auf Null zu vermindern, da dem Generator kein Magnetisierungsstrom
zugeführt wird,
bevor dieser elektrische Energie erzeugen kann. Bei der Erfindung
ist der Asynchrongenerator mit dem Netz unter allen Umdrehungsbedingungen, bei
denen der Generator elektrische Energie erzeugen kann, verbunden.
Beispielsweise wird der Generator nicht magnetisiert, wenn die Umdrehungszahl verglichen
mit der Frequenz des Netzes zeigt, daß noch keine elektrische Energie
erzeugt werden kann. Da die hauptsächliche Steuerung auf einer
Messung der Umdrehungszahl des Generators basiert, wird ein fortwährendes
Anschalten und Ausschalten der Verbindung zwischen dem Generator
und dem Netz vermieden, wenn die Möglichkeit besteht, elektrische Energie
zu erzeugen oder wenn die Energieerzeugung sehr niedrig ist, und
es werden somit Momentdiskontinuitäten an der Welle und Stromimpulse
im Netz komplett vermieden, aber es wird eine "sanfte" Steuerung über den gesamten Bereich, das
heißt den
Bereich in dem die Windmühle
0% Energie erzeugt bis hin zur maximalen Energieproduktion, erreicht.
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Beim
Verfahren und dem Koppler gemäß der Erfindung
kann der Kopplerzustand in einem weit höheren Maße als beim bisher bekannten
Stand der Technik mit voll variablem Kopplungsgrad entsprechend
den Erfordernissen und bei allen Umdrehungszahlen aufrechterhalten
werden.
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Es
ist offensichtlich, daß die
Windmühle
vom Netz getrennt wird, wenn die Windgeschwindigkeit sich unter
einem vorbe stimmten Pegel oder über
einem vorbestimmten Pegel befindet. Dieses Verbinden und dieses
Trennen erfolgt in allgemein bekannter Art und Weise, basierend
auf der Messung der relevanten Parameter, einschließlich der
Windgeschwindigkeit und der Umdrehungszahl. Im mittleren Bereich,
in dem die Mühle
vorzugsweise elektrische Energie erzeugen soll, sind der Generator
und das Netz immer miteinander verbunden.
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Darüberhinaus
gewahrleistet die Erfindung, daß die
Windmühle
niemals als Motor magnetisiert wird und nicht durch das Netz angetrieben
wird, was zu Energieverlusten führen
würde.
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Die
Erfindung wurde für
die Verwendung bei der Verbindung eines mehrphasigen, beispielsweise eines
dreiphasigen, asynchronen Generators in einer Windmühle und
eines mehrphasigen, beispielsweise eines dreiphasigen Wechselstromleistungsnetzes, das
durch die Windmühle
versorgt wird, entwickelt. Somit wird die Erfindung nachstehend
unter Bezugnahme auf eine solche Verwendung beschrieben, wobei es
jedoch für
einen Fachmann und gemäß der nachfolgenden
Erklärungen
offensichtlich ist, daß die Erfindung
ohne große
Modifikationen viele andere Verwendungsmöglichkeiten bietet, wie beispielsweise
das Einschalten einer hydraulischen Turbine mit einem Asynchronmotor
auf ein Wechselstromnetz oder die Steuerung von großen asynchronen
Motoren, nämlich
bei allen Anwendungen, wo eine "weiche" Kopplung gewünscht wird,
das heißt,
ein Einschalten und eine Steuerung ohne wesentliche Momentdiskontinuitäten, das
heißt,
ohne nachteilige Auswirkungen in Form von Schlägen oder Impulsen bei der Drehkraft
der Welle, unabhängig
von der Energierichtung.
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Der
Kopplungsgrad wird primär
gemessen und gesteuert auf der Basis der Schlupfspezifikationen
des Generators, das heißt
auf der Basis einer genauen Messung der Umdrehungszahl und dem Vergleich
derselben mit der Frequenz des Netzes, wobei zur gleichen Zeit unter
allen Betriebsbedingungen, das heißt auch bei einer niedrigen
Energieübertragung
von der Windmühle
zum Netz, eine Ruhestromkompensation durchgeführt wird.
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Parameter,
wie die inneren Spezifikationen des asynchronen Generators oder
Motors für
ein Ändern
oder eine Auswahl des Algorithmuses zur Steuerung des Kopplers können im
Computer gespeichert sein, so daß es auf diese Weise möglich ist,
den erfindungsgemäßen elektrischen
Koppler an eine tatsächliche
Windmühle,
einen Motor, u. s. w. anzupassen.
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DIE ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun weiter erläutert
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen
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1 ein
elektrischer Koppler als Ganzes gemäß der Erfindung ist,
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2 ein
Beispiel eines Algorithmuses ist, der im Computer des Kopplers gespeichert
ist, um die Kopplung zwischen einer Windmühle mit einem Asynchrongenerator
und einer Wechselspannungsstarkstromleitung zu steuern.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
ein Beispiel eines elektrischen Kopplers gemäß der Erfindung, der zwischen
allgemeinen dreiphasigen Wechselstarkstromleitungen 17 mit
den Phasen R, S und T und einer Windmühle mit einem Asynchrongenerator 5,
wie beispielsweise einem vierpoligen, 50 Hz Asynchrongenerator mit Phasenanschlüssen, die
mit R, S und T markiert sind, angeordnet ist. Dies ist nur ein Beispiel
des Kopplers und des erfindungsgemäßen Verfahrens. Andere Anwendungen
können
beispielsweise neben den erwähnten
50 Hz auf Wechselstromleitungen mit einer Frequenz von 60 Hz oder
400 Hz, die typisches Stromleitungsfrequenzen darstellen, oder auf
eine andere Zahl von Netzphasen ausgelegt sein.
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Der
elektrische Koppler hat direkt in jeder Phase zwischen dem Windmühlengenerator 5 und den
Stromleitungen 17 zwei Thyristoren 1 in antiparalleler
Kopplung direkt übereinander.
Somit gibt es im gezeigten Beispiel sechs Thyristoren, nämlich zwei
in jeder Phasenleitung zwischen dem Generator und den Stromleitungen.
Obwohl die Zeichnung die Thyristoren getrennt zeigt können natürlich Gruppen
von parallel verbundenen Thyristoren oder andere Formen von Kipptrioden,
getrennt oder parallel miteinander verbunden verwendet werden.
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Die
drei Thyristoren der 1, die in derselben Richtung
leiten, werden von den Ausgängen
in einer Einschalteschaltung 2 gesteuert und die drei anderen
Thyristoren, die in der Gegenrichtung leiten, werden von den Ausgängen 9 derselben
Einschalteschaltung gesteuert. Die Thyristoren werden somit über die
Einschalteleitungen 6, 7 unter der Steuerung der
Einschaltesignalschaltung 2 eingeschaltet.
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Die
Einschaltesignalschaltung 2 umfaßt Schaltungen zur Erzeugung
von Einschaltesignalen und einen Computer oder eine andere elektronische Vorrichtung,
die die Erzeugung steuert und die unten beschrieben wird. Die Schaltung 2 empfängt darüberhinaus
Informationen über
die aktuelle Umdrehungszahl des Asynchrongenerators 5,
dadurch daß ein
Tachometergenerator 10 mit dem Generator verbunden ist,
wobei der Tachometergenerator 10 Tachometersignale über eine
Signalleitung 11 zu einer Berechnungsschaltung 3 überträgt, die
ebenfalls die Stromleitungsfrequenz über die Leitung 16,
die mit der Phase R ver bunden ist, ausliest. Von der Schaltung 3 werden
passende, digitale Steuersignale über die Leitung 12 zur
Einschaltsignalschaltung 2 übertragen. Wie gezeigt ist,
liest die Einschaltsignalschaltung 2 die Phasenspannung
in den drei Phasen R, S und T aus.
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Die
elektrische Schaltung umfaßt
darüberhinaus
eine Phasenschieberschaltung 4, die die Phasenverschiebung
zwischen dem resultierenden Netzstrom und der Netzspannung mittels
Meßleitungen 13 für die Messung
der sich ergebenden Netzspannung und Meßwandlern 14 zur Messung
des sich ergebenden Netzstroms, mißt. Dies ist durch die Eingabeleitungen
UT, US und UR und die Leitungen IT,
IS und IR der Phasenschieberschaltung 4 dargestellt.
Auf der Basis der Messungen wird ein schrittweises Einschalten der
Kapazitäten
der Kondensatorbatterie 15 vorgenommen, um eine schrittweise,
kapazitive Kompensation zu erreichen, so daß die Blindleistung minimiert
wird. Die Phasenschieberschaltung 4 ist in bekannter Weise
angeordnet und ist so ausgelegt, daß sie auch dann eine Kompensation
durchführt, wenn
die Leistung die vom Windmühlengenerator 5 zu
den Netzleitungen 17 übertragen
wird, niedrig ist im Verhältnis
zur Nennleistung des Generators.
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Die
gezeigte elektrische Kopplungseinheit 1 kann in bekannter
Art mit allen erforderlichen Hilfs- und Schutzvorrichtungen versehen
sein und kann weiterhin mit einem Umgehungskoppler ausgestaltet sein,
der in Form eines Kurzschlußes über die
Kopplereinheiten geschaltet wird, wenn der Windmühlengenerator 5 mit
einer im Verhältnis
zur Nennleistung hohen Ausgangsleistung läuft, so daß der Energieverlust über die
Thyristoren vermieden wird. Die antiparallelen Kopplereinheiten 1 in
jeder Phase gestatten die individuelle Steuerung des Magnetisierungsstroms
von den Netzsleitungen 17 zum Generator 5 und
die individuelle Steuerung des erzeugten Stroms vom Generator 5 zu
den Netzleitungen. Mit einer passenden Steuerung von der Einschaltsignalschaltung 2 ist
es somit möglich
zu verhindern, daß die
Netzleitungen den Asynchrongenerator als Motor betreiben, beispielsweise
wenn die Windgeschwindigkeit sehr niedrig ist, da die Zahl der Umdrehungen
des Generators konstant gemessen und mit der Netzfrequenz, die auch
kontinuierlich gemessen wird, verglichen wird.
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Wie
oben erwähnt
wurde enthält
die Einschaltschaltung 2 mindestens einen Computer oder eine
andere elektronische Vorrichtung, die mit einem oder mehreren gespeicherten
Algorithmen die Erzeugung der Einschaltsignale zu den einzelnen
Kopplereinheiten 1 steuert. Die Kopplereinheiten sind vorzugsweise
Thyristoren, die durch einen Einschaltimpuls in den Leitungen 6 oder 7 eingeschaltet
werden und die dann durch den ersten Nulldurchgang ausgeschaltet
werden. Die Schaltung 2 erzeugt Einschaltsignale für jede einzelne
Kopplereinheit in Übereinstimmung
mit:
- a) einem externen Signal von einer Steuerung,
die die Einschaltzeit für
die phasenschnittgesteuerten Kopplerheinheiten 1 bestimmt.
- b) einem externen Signal, das über die Netzphase die Einschaltzeit
für die
sequenzgesteuerten Kopplereinheiten 1 bestimmt.
- c) einem gleiche externe Signal, das über die Netzphase die Totzeitperioden
für alle
Kopplereinheiten 1 bestimmt.
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In
einem vorgegebenen Moment kann jede der Kopplereinheiten deshalb:
- a) ausgeschaltet werden, da die Einschaltsignalschaltung 2 eine
Totzeitperiode registriert.
- b) sich in einer ausgeschalteten Sequenz befinden, da die Einschaltsignalschaltung 2 eine
unzweckmäßige Polarität registriert.
- c) sich in einer eingeschalteten Sequenz befinden, wenn die
Einschaltsignalschaltung 2 eine zweckmäßige Polarität registriert.
- d) freigegeben sein, um durch die Steuereinheit gesteuert zu
werden.
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Die
Steuereinheit ist die oberste Einheit, die den Koppler steuert und
kann beispielsweise durch einen Computer gebildet werden, beispielsweise
den Mikrocomputer, der einen integralen Teil der Berechnungsschaltung 3 bildet,
oder einen anderen Computer, der den elektrischen Koppler steuert
und überwacht
oder einen Teil davon bildet.
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2 zeigt
ein Beispiel eines Algorithmuses für die Steuerung des Öffnungswinkels
V als eine Funktion der Umdrehungszahl RPM. Der Öffnungswinkel V bedeutet der Öffnungswinkel
für die
Thyristoren in den Kopplereinheiten 1, und RPM bedeutet die
Zahl der Umdrehungen, gemessen am Generator 5 durch den
Tachometergenerator 10. Die in 2 gezeigte
Einschaltkurve 20 ist ein Beispiel eines 50 Hz asynchronen,
vierpoligen Generators für
eine Windmühle,
der so ausgelegt ist, daß er
mit einem 50 Hz Wechselstromnetz verbunden werden kann. Im gezeigten
Beispiel besteht die Kurve aus drei geraden Linien mit Diskontinuitätspunkten
bei 30° (1507 Umdrehungen
je Minute) und bei 45° (1520
Umdrehungen je Minute). Wenn die Zahl der Umdrehungen 1560 Umdrehungen
pro Minute übersteigt,
so setzt sich die Kurve entlang der gepunkteten horizontalen Kurve 21 derart
fort, daß der Öffnungswinkel
beim gezeigten Beispiel nie 60° übersteigt.
Die Kurvenlinie 21 beginnt bei 1560 Umdrehungen pro Minute.
Am anderen Ende der Kurve bei einem Öffnungswinkel von 10° setzt sich
die Kurve 20 auch entlang der gepunkteten Kurve 22 mit
der Umdrehungszahl von 1493 und weniger fort, so daß der Öffnungwinkel schnell
zu 0° wird,
wenn die Zahl der Umdrehungen unter 1493 Umdrehungen/Minute fällt, siehe 2. Dies
ist unter anderem dadurch bedingt, daß der anfängliche Öffnungswinkel nicht zu groß sein darf,
so daß der
Generator als ein Motor arbeiten würde, und daß er nicht abgekoppelt wird,
wenn der Wind vollständig
verschwindet.
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Alle
Schlüsselfiguren
des Generators sind im Computer gespeichert und liefern Parameter
für die Computersteuerung
der Erzeugung von Einschaltsignalen des Einschaltgenerators. Das
bedeutet, daß der
elektrische Koppler gemäß der Erfindung
in nahezu jeder Art von Windmühle
eingesetzt werden kann, dadurch, daß nach der reinen mechanischen und
elektrischen Montage die Schlüsselfiguren
oder Daten des Generators in den Computer eingegeben werden und
falls erforderlich eine Auswahl des Steueralgorithmuses vorgenommen
wird, wonach die Windmühle
dann betriebsbereit ist.