Maßnahmen gegen Oberschwingungen

Bis hierhin wurden die Entstehung und Ausbreitung von Oberschwingungen ausführlich beschrieben – und nun? Welche Maßnahmen sind angebracht, und welche eher nicht? Wann sind überhaupt Maßnahmen erforderlich? Wie schon ausgeführt, sind Oberschwingungen nämlich nicht per se ein Problem. Auf die Einhaltung normativer Grenzen wird noch einzeln einzugehen sein, doch hilft dies, wenn, dann eher gegen juristische als gegen technische Schwierigkeiten. »Wir sind hier nicht zusammengekommen, um Normen zu erfüllen, sondern um Störungen zu beseitigen und Schäden zu verhüten!« So der Seminarleiter zur Eröffnung einer Schulung zum Thema. Wie schon erwähnt, können Störungen und im Extremfall Schäden selbst dann eintreten, wenn alle normativen Vorgaben eingehalten wurden. Umgekehrt müssen sie nicht notwendigerweise eintreten, wenn die Grenzwerte überschritten werden.

Im Allgemeinen sagt man: Müll, der gar nicht erst entsteht, muss auch nicht entsorgt werden. Vermeidung ist also besser als Entsorgung (welche voraussetzt, dass man anderenfalls Sorgen hätte). In diesem speziellen Fall jedoch muss dieser Ansatz, auch wenn er deutlich mehr von sich reden macht, als schlichtweg unwirtschaftlich betrachtet werden; bedeutet dies doch, dass sich jede kleine Lampe um ihre Oberschwingungen »selbst kümmern muss«. Das ist so, als wenn man die öffentliche Müllabfuhr abschafft, um die Kosten zu senken, und dann jeder seinen eigenen Müllsack einzeln mit dem eigenen Auto zur Müllkippe – Entschuldigung, zum »Entsorgungshof« – fährt.

Auf der Netzseite

Wirtschaftlicher ist der Ansatz, die Netze in der Art zu ertüchtigen, dass ihnen die Oberschwingungen nichts mehr ausmachen. Dies ist dann gegeben, wenn ein hoher Grad an Stromverzerrung THDI nahezu ungestört und »unstörend« abfließen kann. Das bedeutet:

  • Die Wirkwiderstände im gesamten Leitungsweg, also einschließlich Transformatoren, so gering halten, dass die Erhöhung der effektiven Belastung der Leiter getragen werden kann, ohne die zulässige Erwärmung zu überschreiten.
  • Die induktiven Längsreaktanzen im gesamten Leitungsweg, also einschließlich Transformatoren, so gering halten, dass die harmonischen Spannungsfälle sich in für den jeweiligen Anwendungsfall vertretbaren Grenzen halten, also nicht mehr viel THDU entsteht.

Somit sollten alle Leiter so kurz und so dick wie möglich ausgewählt werden. Während bei der Leitungslänge bei richtiger Planung kein Potenzial mehr zu finden sein dürfte, kann die Verstärkung der Querschnitte hier noch gute Dienste leisten. Transformatoren werden wegen der doppelt erhöhten Erwärmung durch »Zusätzliche Zusatzverluste« ohnehin überdimensioniert werden müssen. Ihren Anteil an Streureaktanz werden sie immer benötigen, um im Falle eines Kurzschlusses ihren eigenen Kragen zu retten, indem sie den Kurzschlussstrom begrenzen und sich dadurch vor augenblicklicher Zerstörung durch die inneren magnetischen Kräfte bewahren. Es ist also besser, bei den gängigen Normtypen mit uk = 4% bzw. uk = 6% zu bleiben und eine Leistungsstufe höher zu gehen als eine Spezialversion mit z. B. uk = 2% zu wählen – schon allein deshalb, weil man dann bei der Planung und Auswahl weiterhin mit den gewohnten Planungsprogrammen und den darin vorgesehenen Werten planen und rechnen kann. Das Ergebnis ist eine Anlage, die hinsichtlich Bemessungsstrom, Kurzschlussstrom und Abschaltbedingungen eine oder einige Standardgrößen höher liegt als sei nur eine Belastung durch lineare Lasten vorhanden. Liegt die zusätzliche Belastung im praktischen Betrieb nachher nicht so hoch wie bei der Planung mit »Angstfaktor« kalkuliert, ist diese Auswahl dennoch vorteilhaft. Es sei hierbei nur an die bessere Spannungshaltung und die reduzierten Energieverluste innerhalb der Anlage erinnert.

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Passive Methoden: Induktivitäten

Bild 53
Bild 53: Klein und dezentral – dreiphasige verdrosselte Blindstrom-Kompensationsanlage (KBR)

Nur selten sind diese Maßnahmen zum besseren Abfluss der Strom-Oberschwingungen nicht ausreichend oder nicht wirtschaftlich, so dass man diesen statt des Abflusses einen geschlossenen Stromkreis anbieten muss. Man muss dann eine Oberschwingungssenke möglichst dicht an deren Quelle anordnen. Gut bewährt hat es sich hierfür, die Verdrosselung von Blindstrom-Kompensationsanlagen gleich als passive Filter auszuführen (Bild 53). Die »Verdrosselung« genannte Praxis, Kompensations-Kondensatoren mit je einer Drosselspule in Reihe zu schalten, wird heute meistens ohnehin vorgenommen, um die Kondensatoren vor Überlastung zu schützen . Zumindest wird dies dringend empfohlen. Oberhalb der Resonanzfrequenz sieht die verdrosselte Kapazität wie eine Induktivität aus, und eine Induktivität kann nicht mit der Streuinduktivität des nächsten Transformators in Resonanz geraten. Die Verdrosselung wird dabei so gewählt, dass sie von der Bemessungs-Blindleistung des Kondensators nur einige Prozent wegnimmt. Bemisst man sie so, dass sie zusammen mit dem Kondensator einen Reihen-Resonanzkreis (Saugkreis) für eine bestimmte Harmonische bildet, so hat dieser Kreis für diese eine Frequenz nahezu keine Impedanz (Bild 54). Die induktive und die kapazitive Reaktanz heben sich gegenseitig auf, und nur der sehr geringe Wicklungswiderstand der Drossel bleibt übrig. Wählt man z. B. einen Verdrosselungsgrad von 11%, also ungefähr 1/9, dann hat die Drosselspule bei der Netzfrequenz von 50 Hz gerade 11% der Reaktanz, die der Kondensator hat. Bei 150 Hz dagegen steigt die induktive Reaktanz schon auf das Dreifache, die kapazitive aber fällt auf ein Drittel. Aus 1:9 wird 3:3, die beiden Reaktanzen sind dem Betrag nach gleich groß, aber gegeneinander um 180° phasenversetzt, und heben sich also gegenseitig auf. Für eine eventuell vorhandene dritte Oberschwingung liegt ein Kurzschluss vor – und weg ist sie. So einfach ist das.

Bild 54
Bild 54: Verhalten eines mit 4% verdrosselten Kondensators

Der Vorteil dieser Anordnung ist ihre Einfachheit und Robustheit und ggf. das Zurückgreifen auf Komponenten, die für andere Zwecke ohnehin schon vorhanden sind. Damit ist sie auch sehr kostengünstig. Der Nachteil ist, dass jeder Saugkreis nur für eine bestimmte Frequenz bemessen werden kann und folglich so viele Saugkreise errichtet werden müssen, wie Frequenzen zu beseitigen bzw. zu dämpfen sind. Ist eine verdrosselte Kompensationsanlage in Stufen einstellbar ausgeführt, so ist es unter Umständen vertretbar, in Schwachlastzeiten, wenn die Anlage zurück geschaltet wird, auf die Filterung der weniger intensiven Pegel zu verzichten, die dann auf Grund der Schwachlast noch weniger intensiv auftreten (Bild 55).

Auch ist diese Methode natürlich nicht geeignet, um Störungen veränderlicher Frequenz (Zwischenharmonische, deren Frequenzen nicht ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz sind) zu filtern, wie sie beim Betrieb von Frequenzumrichtern im Netz auftreten können.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die Saugkreise ihrem Namen alle Ehre machen und jede nur erdenkliche Menge Strom der fraglichen Frequenz auf sich ziehen, so viel wie eben vorhanden ist – und mehr als das, da eine geringere Impedanz (für höhere Frequenzen) die Oberschwingungs-Emission jedes einzelnen Verursachers erhöht. Die Motivation der Anlagen-Errichter hält sich in Grenzen, die Oberschwingungen des Nachbarn gleich mit zu entsorgen, so dankbar der auch sein mag. Doch genau dies wird ein Saugkreis tun, da er einen Quasi-Kurzschluss bei der Resonanzfrequenz darstellt. Der Resonanzkreis kann nicht unterscheiden, woher ein Oberschwingungsstrom stammt. In welchem Ausmaß es zum Aufräumen von anderer Leute Schmutz kommen wird, lässt sich im Vorhinein nicht ermitteln. Wie schon im Zusammenhang mit dem Transformator ausgeführt, hängt es nicht nur von der Oberschwingungen verbreitenden Last, sondern auch von ihrer Umgebung ab, wie viel Oberschwingungsstrom sie denn nun emittiert. In dem Moment, in dem der Filter eingesetzt wird, kann der Strom der betreffenden Oberschwingung sich deutlich verstärken und den Filter überlasten.

Bild 55
Bild 55: Verdrosselte Blindstrom-Kompensation, aufgebaut zur gleichzeitigen Verwendung als Oberschwingungsfilter

Ein Hersteller von Kompensations-Anlagen hat vor langer Zeit beim Westdeutschen Rundfunk in Köln diesen Alleingang gewagt. Dort waren alle Mikrofon-Leitungen mit einem Störbrummen belastet, verursacht durch zunehmenden Einsatz von Schaltnetzteilen und anderen Gleichrichter-Anlagen zusammen mit einer ungeeigneten Stromversorgung nach dem TN-C-System – ein typischer Fall der beschriebenen Störungen. Die technisch ideale Lösung – Kompensation und Filterung jeweils am Ort der Entstehung oder zumindest in jeder Unterverteilung – war nicht zu bezahlen. Es wurde eine gesamte Oberschwingungs-Emission von etwa 10 A ermittelt und vorsichtshalber aus Reservegründen eine Saugkreis-Kompensation mit einem Bemessungsstrom von 20 A in der Hauptverteilung installiert. Erstaunlicherweise wurden bei Inbetriebnahme der Anlage dann aber 50 A Verzerrungsstrom gemessen. – Erstaunlich? Nein, nicht wirklich. Weil es sich aber, ganz abgesehen von dem dabei empfundenen Verdruss, niemand leisten kann, vor den Türen sämtlicher Nachbarn gleich mit zu kehren, unterbleibt diese an sich optimale Art des Umgangs mit stationären Niederfrequenz-Immissionen in das Stromversorgungsnetz meist. Die Hersteller scheuen einen »Volltreffer« und ziehen den Einsatz »verstimmter« Schwingkreise vor, deren Resonanzfrequenzen knapp neben den Oberschwingungsfrequenzen liegen. Das bringt zwar nicht den vollen Effekt, hilft aber auch schon.

Dabei hielten sich die Kosten für den zusätzlichen Aufwand im Rahmen. Außerdem gäbe es noch eine weitere Möglichkeit, dieses Problems ohne Verlust an Filterleistung Herr zu werden: Man könnte die Drosselspulen so auslegen, dass der Eisenkern bereits bei einem Strom in die magnetische Sättigung eintritt, bei dem die Spule thermisch noch nicht überlastet wird. An diesem Punkt fängt die Induktivität an zu fallen (s. den Versuch mit dem Ringkern), die Resonanzfrequenz erhöht sich, entfernt sich von der Frequenz der betreffenden Oberschwingung, und die Impedanz des »Nicht-mehr-Resonanzkreises« steigt rapide an. Ein sich selbst regelndes Verhalten wäre geschaffen.

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Aktive Methoden: Pulsweiten-Modulation (PWM)

Die vornehme Methode des Aufsaugens von Oberschwingungsströmen ist jedoch die leistungselektronische: Ein Prozessor erfasst quantitativ und qualitativ, inwieweit sich die Spannungskurve im Netz von der gewünschten Sinusform unterscheidet, und speist von jeder gefundenen Schwingung einen derart bemessenen Strom mit umgekehrtem Vorzeichen ein, dass die Spannungskurve wieder stimmt. Dies schließt Zwischenharmonische ebenso ein wie aperiodische Vorgänge – ein klarer Vorteil. Eine Überlastung kann ebenso durch die elektronische Regelung ausgeschlossen werden. Die Netzreinigung bleibt dann eben unvollkommen, wenn mehr Schmutz vorhanden ist als der Universal-Staubsauger schlucken kann, aber er quittiert den Dienst nicht gleich ganz, nur weil er nicht alles schafft.

Bild 56
Bild 56: Dem typischen Eingangsstrom z. B. eines Frequenzumrichters…

Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Elektronik Strom geführt anzusteuern und somit genau den Schmutz eines bestimmten Verbrauchers oder Abgangs zu absorbieren – nicht mehr und nicht weniger als eben diesen, etwa den Eingangsstrom eines Frequenzumrichters (Bild 56). Dieser Stromverlauf wird von der ersehnten Sinuskurve abgezogen und die Differenz in das Netz eingespeist (Bild 57). So entsteht wieder ein Sinusstrom (Bild 58) – zumindest wenn man nur diesen einen Störer und »seinen« Filter zusammen betrachtet.

Bild 57
Bild 57: …wird ein »synthetisch« erzeugter Ausgleichsstrom derart hinzu gefügt…

Natürlich muss ein solches netzparalleles Gerät die Amplitude der Sinuskurve stets so einregeln, dass sich aufgenommene und abgegebene Energie über eine Periode oder höchstens zwei bis drei Perioden hinweg die Waage halten, denn nennenswerte Energiespeicher enthält er nicht, nur Induktivitäten und Kapazitäten, bzw. deren jeweils nur eine im Zwischenkreis. Eine Stabilisierung des Effektivwerts kann man hiervon nicht erwarten. Dazu wäre ein serielles Gerät erforderlich, das für die gesamte Last und nicht nur für die Verzerrungs-Blindleistung ausgelegt sein müsste – so wie etwa in einer Online-USV-Anlage.

Bild 58
Bild 58: …dass die Summe wieder eine Sinusform ergibt

Der Nachteil der elektronischen Netzreinigung liegt außer in hohen Kosten – Hersteller nennen einen Faktor von 3 bei kleinen und 2 bei großen Einheiten gegenüber passiven Filtern – in der hochfrequenten Taktung. Damit kommen die Risiken und Nebenwirkungen wieder zum Tragen, die der Technik der Pulsweiten-Modulation nun mal anhaften: Das leidige, nach wie vor ungelöste Problem der Schutzleiterströme aus den hier notwendig werdenden Entstörfiltern.

Während die Verlustleistung bzw. der Eigenverbrauch der elektronischen Filter – wie auch der passiven – gering ist und sich je nach Baugröße im Bereich von vielleicht 1% der Nennleistung abspielt, stellt sich hier eine ganz andere Frage, nämlich: Warum werden die zunehmend häufiger eingesetzten leistungselektronischen Frequenzumrichter heute immer noch bis zu einem recht hohen Leistungsbereich von mehreren 100 kW mit passiven Eingangsstufen ausgeführt und ein elektronischer Filter daneben gesetzt, statt eben genau diese Technik der Pulsweiten-Modulation von vornherein auch in der Eingangsstufe und nicht nur in der Ausgangsstufe des Umrichters einzubauen? Das ist mit geringfügiger Übertreibung so, als verkaufe man Autos ohne Bremsen, um Kosten zu sparen, und hänge dann einen gebremsten Anhänger daran, ohne den das Fahrzeug nicht fahren darf. Selbst dann, wenn der Fahrzeughalter nicht mit dem Nutzer identisch ist, was der üblichen Situation im Netz entspräche, käme es nicht dazu. Der vernünftigste Ansatz dürfte auch hier darin bestehen, die Umrichter mit weit reichenden passiven Dämpfungsgliedern gegen Oberschwingungen zu bestücken und erforderlichenfalls weitere passive netzparallele Filter einzusetzen, bis der Pegel auf ein elektromagnetisch verträgliches Maß gefallen ist. Dabei muss erneut betont werden, dass ein starkes, »steifes«, nach dem TN-S-System errichtetes Netz sehr hohe Strom-Oberschwingungspegel erträgt.

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Auf der Geräteseite

Da aber die Netze sehr langlebige Güter und nur mit großem Aufwand zu ersetzen sind, hat dies wohl zu dem Ansatz geführt, das Problem von der Geräteseite her anzugehen, obwohl die Verteilung eines Problems auf viele kleine, dezentrale Lösungen stets kostenintensiver ist als eine große, zentrale Lösung. Zwar wurde schon ausgeführt, dass auch im Netz – bei Grundschwingungs- wie Verzerrungs-Blindleistung – der dezentrale Ansatz ein besseres Ergebnis bringt als der zentrale, doch damit war keine so feine Verteilung gemeint wie der Einsatz von Filtermaßnahmen in jedem kleinen Hausgerät ab z. B. 3 W Nennleistung.

Passive Methoden: Induktivitäten

Wie bei den Maßnahmen im Netz besteht auch bei jenen am einzelnen Gerät die Auswahl zwischen passiven und aktiven Lösungen. Ein sehr gutes Ergebnis (Bild 59) bringt z. B. ein Saugkreis – jetzt jedoch mit der verzerrenden Last in Reihe geschaltet, nicht parallel dazu, und auf die Grundfrequenz von 50 Hz, nicht auf irgendwelche Oberschwingungen abgestimmt. Dieser lässt die Netzfrequenz nahezu ungehindert in die Last fließen, hindert aber die Oberschwingungen sehr weit gehend an deren Austritt in Richtung Netz.

Bild 59
Bild 59: PC-Netzteil ohne irgendwelche Maßnahmen gegen Oberschwingungen und mit vorgeschaltetem 50-Hz-Saugkreis
Bild 60
Bild 60: LC-Saugkreis wie für die Versuche verwendet

Dies geht natürlich wieder auf Kosten der Spannung, die nun stärker verzerrt ist als der Strom – jedoch nur hinter dem Filter, also an der betreffenden Last. Wenn diese das mit sich machen lässt, ist alles in Ordnung. Bei einem PC-Netzteil z. B. ist dies der Fall.

Bild 61
Bild 61: Die Hälfte der Lösung aus Bild 60 wird bisweilen tatsächlich in PC-Netzteilen eingesetzt

Allerdings wurde diese Idee nie kommerziell umgesetzt – schon wegen des erheblichen Volumens und Gewichts (Bild 60). Die Hälfte dieser Lösung findet man bisweilen in PC-Netzteilen in Form einer vor das Netzteil geschalteten Drossel – oder, gemessen an der üppigen Nennleistung eines solchen Netzteils, doch wohl eher eines Drösselchens (Bild 61). Eine größere Induktivität lässt sich schon allein aus Platzgründen nicht einsetzen und würde ohne den Kondensator selbst bei 50 Hz schon zu viel Impedanz in den Stromkreis einbringen und also die Versorgung gefährden. An diesem Punkt müsste der Kondensator hinzu kommen. Da es dem Hersteller aber um die Einhaltung von Normen und nicht um Vermeidung von Störungen geht, setzt er diese Maßnahme nur so mager um wie zur Erfüllung der großzügigen Grenzwerte der IEC 61000-3-2 notwendig. Die tatsächliche Situation im Netz kennt er nicht, kann also nicht beurteilen, ob Filtermaßnahmen überhaupt erforderlich sind.

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Aktive Methoden: Pulsweiten-Modulation (PWM)

Bild 62
Bild 62: Hochfrequentes Ein- und Ausschalten der Netzspannung erzeugt einen Sägezahnstrom, der – aus der Ferne betrachtet – wieder sinusförmig aussieht

Die gängige Methode der Reduktion von Oberschwingungsströmen aus Endgeräten besteht heute im Einsatz der PFC. Dabei wird durch das Ein- und Ausschalten der Netzspannung mit wesentlich höherer als der Netzfrequenz die Sinuskurve des Stroms näherungsweise wieder hergestellt. So entsteht zunächst einmal ein Sägezahn-Verlauf (Bild 62, Bild 63): Die Spannung wird auf eine HF-Drossel geschaltet, in der der Strom – je nach Augenblickswert der Spannung schneller oder langsamer – hochläuft. Nach dem Abschalten der Spannung fließt er über eine Freilaufdiode weiter und klingt – je nach Augenblickswert der Spannung schneller oder langsamer – wieder ab. Durch eine HF-Glättungskapazität, die so klein bemessen ist, dass sie von der soeben wieder hergestellten 50-Hz-Schwingung kaum etwas »aufschluckt«, wird eine mehr oder weniger weit gehende Annäherung der Sinusform erreicht.

Bild 63
Bild 63: Ausschnittvergrößerung von Bild 62

Die Trennung von NF und HF und damit die Glättung der Sinuskurve funktioniert natürlich umso besser, je weiter diese beiden Frequenzen auseinander liegen. Bei der NF, die zwangsläufig der Netzfrequenz entspricht, gibt es hier naturgemäß keinerlei Variationsbreite. Die besten Ergebnisse hat man z. B. bei EVG für Leuchtstofflampen mit Taktfrequenzen im Bereich ab 20 kHz (oberhalb des hörbaren Bereichs; das ist Bedingung) bis etwa 60 kHz erzielt. Bei Schaltnetzteilen liegen die Verhältnisse ähnlich. Verluste entstehen nämlich in den Schaltelementen fast nur während des Übergangs vom leitenden in den sperrenden Zustand und zurück. Ist der Halbleiter gesperrt, ist der Strom gleich null. Ist der Halbleiter leitend, ist der Spannungsfall an ihm nahezu null, nur etwa 1 V fällt daran ab. Die Verlustleistung aus Spannungsfall mal Strom ist nur dann erheblich, wenn Spannung und Strom gleichzeitig vorhanden bzw. von erheblicher Größe sind. Deswegen ist ein schnellstmöglicher Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand und umgekehrt vorteilhaft.

+ Hohe Frequenz verbessert die Rekonstruktion der Sinuskurve …
- … und erhöht den Strom im »Sinusfilter«.
+Hohe Flankensteilheit der Spannung vermindert Verluste …
-… und verbreitert das Störspektrum.
Bild 64
Bild 64: In jedem von 400 ausgefallenen Doppel-EVG 2*26 W das gleiche Schadensbild: Nicht ein Halbleiter, sondern ein passives Bauteil, ein Kondensator, ist die Ursache

Man wird also, abhängig vom elektronischen Aufwand, den man treibt, die Harmonischen der Netzfrequenz nahezu vollständig los – Leistungsfaktoren von λ = 0,98 sind durchaus üblich – handelt sich aber unter Umständen dafür Störungen im HF-Bereich ein. So sind etwa Fälle bekannt geworden, in denen EVG, in Massen eingesetzt, »am eigenen Dreck erstickten«. Ausgerechnet in einem Verwaltungsgebäude eines großen Stromversorgers waren von 1100 EVG nach wenigen Monaten bereits 400 wieder ausgefallen. Jedes Mal war der Filterkondensator der Eingangsstufe »hochgegangen« (Bild 64). Messungen zeigten, dass die Netzströme der EVG sehr stark mit hohen Frequenzen überlagert waren, die vermutlich den Taktfrequenzen eben dieser EVG entsprachen (Bild 65), denn jeder Filterkondensator filtert nur unvollkommen und lässt einen Teil der HF-Ströme eben doch »ins Freie« gelangen. Wird das zu viel, dann drückt diese Störung, so zu sagen, zurück und überlastet den Kondensator. Bergauf fließt halt nichts ab.

Bild 65
Bild 65: Eingangsstrom eines der EVG aus Bild 64

So ist bei den – wenn auch zum Teil recht wirksamen und dabei sehr viel Platz und Material sparenden – elektronischen Maßnahmen gegen Oberschwingungen immer an die möglichen Rückwirkungen zu denken. Dasselbe EVU installierte in einem anderen Neubau an einem anderen Ort auf Anraten eines Sachverständigen ganz »altmodische« Leuchten mit Leuchtstofflampen 4*18 W mit VVG in der verlustarmen Tandemschaltung und darüber hinaus mit der noch altmodischeren Duo-Kompensation – nur mit auf moderne Verhältnisse reduzierten Kapazitäten. Lediglich die äußerst langlebigen und die Lampen schonenden elektronischen Starter wurden eingesetzt. Seither sind weder Ausfälle und Störungen noch Oberschwingungen dort jemals wieder ein Thema gewesen.

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