1.Synchronous generator design & operation - WWW-Docs for B-TU

Brandenburgische
Technische
Universität
Cottbus - Senftenberg
Generators and Large Drives
1. Synchronous generator design & operation
Dr.-Ing. Georg Möhlenkamp
1/66
Institut
Energietechnik
Dr.-Ing. Georg Möhlenkamp
Lehrstuhl
Leistungselektronik
und
Antriebssysteme
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Generators and Large Drives
1. Synchronous generator design & operation
1. Basics of synchronous generator operation
2. Excitation of synchronous generator
3. Steady state operation of synchronous generator
4. Embodiments of synchronous generators
5. Dynamics of synchronous generator operation
6. Synchronous generator design: Cooling
2/66
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Energietechnik
Dr.-Ing. Georg Möhlenkamp
Lehrstuhl
Leistungselektronik
und
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Generators and Large Drives
1.1. Basics of synchronous generator operation
3/66
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Leistungselektronik
und
Antriebssysteme
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Generators and Large Drives
1.1. Basics of synchronous generator operation
Voltage induction by rotating exitation coil:
I
=
v(t)ind
V
Ο‰

𝑣 𝑑
4/66
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Energietechnik
ind
𝑑𝛹
= βˆ’
𝑑𝑑
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Lehrstuhl
Leistungselektronik
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Generators and Large Drives
1.1. Basics of synchronous generator operation
Voltage induction by rotating exitation coil:
v(t)
v(t)
5/66
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t
Lehrstuhl
Leistungselektronik
und
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Generators and Large Drives
1.1. Basics of synchronous generator operation
Voltage induction by rotating exitation coil:
𝑣 𝑑 = 𝑉 β‹… 𝑒𝑗
πœ”π‘‘+πœ‘π‘£
𝑣 𝑑 = 𝑉 β‹… sin πœ”π‘‘ + πœ‘π‘£
t
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Leistungselektronik
und
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1.1. Basics of synchronous generator operation
3-phase AC system:
vabc(t)
t
sin πœ”π‘‘ + πœ‘π‘£
π‘£π‘Ž (𝑑)
𝑣𝑏 (𝑑) = 𝑉 β‹… sin πœ”π‘‘ + πœ‘π‘£ βˆ’ 120°
𝑣𝑐 (𝑑)
sin πœ”π‘‘ + πœ‘π‘£ + 120°
7/66
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Leistungselektronik
und
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1.1. Basics of synchronous generator operation
Main parts of Synchrongenerator – stationary armature machine:
Stator winding
Stator laminated core
Rotor with exitation winding
Generator shaft
Star connetions of Stator
windings
8/66
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Leistungselektronik
und
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1.1. Basics of synchronous generator operation
Coil-axis definition:
Rotor axis d
Stator axis C
Stator axis B
Stator axis A
d
direct axis
q
quadrature axis
Orientation axis
Definition acc. Park
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Leistungselektronik
und
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1.1. Basics of synchronous generator operation
Reduction to 1-phase equivalent circuit:
Stator axis A
Rotor axis d
Rotor axis q
d
direct axis
q
quadrature axis
Definition acc. Park
10/66
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Leistungselektronik
und
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1.1. Basics of synchronous generator operation
1-phase equivalent circuit:
Synchronous generated voltage UP (or VP)
Stator voltage US or UG (or VS)
Stator current I or IS
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1.2. Excitation of synchronous generator
12/66
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1.2. Excitation of synchronous generator
Brush rings
Cooling fan
Main bearing
Sealing
Excitation
Terminals
13/66
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1.2. Excitation of synchronous generator
14/66
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1.2. Excitation of synchronous generator
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1.2. Excitation of synchronous generator
No load diagram:
𝑉𝑃 =
1
2
β‹… ω𝐿 β‹… 𝐿𝑑𝑓 β‹… 𝐼𝑓 =
1
2
β‹… 𝑋𝑑𝑓 β‹… 𝐼𝑓
Ldf : mutual inductance stator to exciter
If0 excites generator to nominal stator voltage VsN.
Short circuit characteristics:
𝑉𝑝
1 𝑋𝑑𝑓
πΌπ‘˜ =
=
β‹…
β‹… 𝐼𝑓
𝑋𝑑
𝑋
2
𝑑
Ifk induces generator nominal stator current IsN.
Xd : rotor reactance in d
Rd : rotor resistance in d
Rd << Xd
No-load/Short-circuit ratio kk:
𝐼𝑓0 πΌπ‘ π‘˜0
𝑉𝑠𝑁 1
1
=
= π‘˜π‘˜ =
β‹…
=
πΌπ‘“π‘˜
𝐼𝑠𝑁
𝐼𝑠𝑁 𝑋𝑑 π‘₯𝑑
16/66
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Energietechnik
xd : related rotor reactance in d
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Leistungselektronik
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1.2. Excitation of synchronous generator
Synchronous impedances:
𝑉𝑃
𝑋𝑑 =
πΌπ‘˜
𝑉𝑠𝑁
𝑋𝑑 =
πΌπ‘ π‘˜0
𝑋𝑑 = π‘‹π‘ž
17/66
to calculate from no-load & short
circuit characteristics
for turbo generators
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1.2. Excitation of synchronous generator
Summary:
No-load and short circuit characteristics
β€’ No-load characteristic: Back EMF over excitation current at open circuit
β€’ Non-linear voltage curve due to iron saturation
β€’ Short-circuit characteristics: Stator current over excitation current at short circuit
β€’ Small resulting air gap flux linkage => no saturation
Rotor excitation methods:
β€’ External with slip rings and brushes
β€’ Brushless with rotating diode bridges
18/66
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1.2. Excitation of synchronous generator
19/66
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2. Excitation of synchronous generator
20/66
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1.2. Excitation of synchronous generator
Exercise 1.2.1:
a) Give for the test results of the Olkiluoto Generator (previous pages) the
saturated and the unsaturated reactance in related and absolute values
b) Calculate the synchronous generated voltage VP for nominal operating
conditions (saturated and unsaturated case)
c) Starting from this nominal operating conditions, determine the terminal
voltage of the generator, after a sudden disconnection from the grid
Beispiel 4.1, S. 85
21/66
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100
Uns. β‰ˆ95,6 kV
Sat. β‰ˆ83,7 kV
2. Excitation of
synchronous generator
Exercise 1.2.1c
Sudden load shedding
β‰ˆ38 kV
22/66
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1.3. Steady-state operation
23/66
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
simplified equivalent circuit and vector diagram accordingly:
Xd : rotor reactance in d
Rd : rotor resistance in d
Rd << Xd
Ο‘
Phase angle Ο† (between stator voltage and current)
Load angle Ο‘ (between stator and synchronous generated voltage)
24/66
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
Power (measured at grid):
𝑆𝐺 = 3 β‹… 𝑉𝐺 β‹… 𝐼 βˆ—
𝑃𝐺 = 3 β‹… 𝑉𝐺 β‹… I β‹… cos πœ‘
𝑄𝐺 = 3 β‹… 𝑉𝐺 β‹… I β‹… sin πœ‘
Ο‘
25/66
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
Power (generated internally):
βˆ—
𝑉
𝑑
𝑆𝐺 = 3 β‹… 𝑉𝐺 β‹… 𝐼 βˆ— = 3 β‹… 𝑉𝐺 β‹…
βˆ’π‘—π‘‹π‘‘
𝑅𝑑 ~0
π‘‰π‘‘βˆ— = π‘‰π‘ƒβˆ— βˆ’ π‘‰πΊβˆ— = 𝑉𝑃 𝑒 βˆ’π‘–πœ— βˆ’ 𝑉𝐺
= 𝑉𝑃 cos πœ— βˆ’ 𝑗𝑉𝑃 sin πœ— βˆ’ 𝑉𝐺
𝑉𝐺 β‹… 𝑉𝑃
𝑃𝐺 = 3 β‹…
sin πœ—
𝑋𝑑
Ο‘
𝑉𝐺 β‹… 𝑉𝑃
𝑉𝐺2
𝑄𝐺 = 3 β‹…
cos πœ— βˆ’ 3 β‹…
𝑋𝑑
𝑋𝑑
26/66
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
No load operating point:
Im
PG = QG = 0
I=0
Vp= VG  Vd = 0
UP
UG Re
Ο‘=0
οͺ=0
Active power only operating point (motor):
PG >0 ; QG = 0
οͺ= 0
Ο‘
Vp> VG as Vp=VG + Vd
Rd << Xd  I β”΄ Vd
27/66
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Leistungselektronik
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
Inductive reactive power only:
Im
PG = 0 ; QG = +Q
UP
UG
Ο†
Ud
Re
VP > VG
Ο‘=0
οͺ=-90°
I
Capacitive reactive power only:
PG = 0 ; QG = -Q
Im
I
Ο†
UP
Ud
VP < VG
Ο‘=0
οͺ=+90°
UG
Re
28/66
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Dr.-Ing. Georg Möhlenkamp
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Leistungselektronik
und
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
Exercise 1.3.1:
Nominal values of a turbo generator:
1600 MVA; 27,0 KV; 50 Hz; cos Ο† = 0,800; 1500 rpm; xd= 2,1 p.u.;
a) Calculate the torque of the turbine under nominal conditions of the generator
b) Show the dependency on the generator active and reactive power of the
load angle Ο‘ for nominal excitation conditions
c) Calculate for the 2 operating points generator active and reactive power,
reactive power consumption (inductive) or supply (capacitive).
1. Starting from the nominal operating point, the valve of the turbine get
reduced to 75% of power
2. Starting from the nominal operating point, the excitation current of the
generator get reduced to 75% (Valve of turbine not reduced)
Beispiel 4.2, S. 93
29/66
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Leistungselektronik
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
Load angle Ο‘ (between no-load and actual excitation current)
30/66
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
31/66
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
32/66
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
Summary:
Stator current root locus
β€’ Cylindrical rotor machine: circle with radius proportional to If (for Rs = 0)
β€’ Operational limits
min./max. exciter current, max stator current, max. load angle,
Max. real power, stability limit
Not covered:
β€’ Salient pole machine with β€žPascal limaconsβ€œ
β€’ Reluctance circle for zero excitation
β€’ Regulation and V-curves
33/66
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
Exercise 1.3.2:
Nominal values of a turbo generator:
552 MVA; 24,0 KV; 50 Hz; cos Ο† = 0,900; 3000 rpm; xd= 1,63 p.u.;
a) Draw the voltage vector diagram under nominal conditions of the generator
b) Draw the stator current vector diagram for nominal conditions
c) By using this diagram: determine if the 2 following operating points are
allowed for continuous service
1. Nominal current and cos Ο† = 0,8
2. Nominal current and cos Ο† = 1,0
d) By using the stator current vector determine the generator active and
reactive power, if from nominal operation
1. The steam to the turbine is reduced to 50%
2. The excitation current is reduced resulting in a reduced synchronous
generated voltage of 75%
Beispiel 4.6, S. 105
34/66
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Leistungselektronik
und
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1.3. Steady state operation of synchronous generator
Exercise 1.3.2 (coninued):
Nominal values of a turbo generator:
552 MVA; 24,0 KV; 50 Hz; cos Ο† = 0,900; 3000 rpm; xd= 1,63 p.u.;
e) Starting from nominal conditions the synchronous generated voltage is
reduced.
1. At which synchronous generated voltage runs the generator with active
power only, and which is the stator current accordingly.
2. At which synchronous generated voltage runs the generator at the
stability limit, and which is the stator current accordingly.
f) If the machine runs as a synchronous compensator only, which is the
maximum reactive power inductive and capacitive?
Beispiel 4.6, S. 105
35/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
36/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
37/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
38/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
39/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
40/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
Retaining ring
Coupling to
turbine
Cooling
fan
Rotor,
active part
Excitation connectors
in hollow shaft
Slip rings
Excitation end windings
Slot caps
Source: ALSTOM
41/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
Synchronous generator design: turbo rotor
42/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
43/66
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1.4. Embodiments of synchronous generators
44/66
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
45/66
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Leistungselektronik
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Windings and equivalent circuits of a synchronous generator:
U, V, W: Stator windings
f: excitation winding
D, Q: Damper windings
d, q: equivalent windings
to represent stator
windings in d, q axes
46/66
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1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Interpretation of synchronous impedances:
π‘ˆπ‘ƒ
𝑋𝑑 =
πΌπ‘˜
see chapter 2
π‘ˆπ‘ π‘
𝑋𝑑 =
πΌπ‘ π‘˜0
to calculate from noload & short circuit
characteristics
𝑋𝑑 = π‘‹π‘ž
47/66
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for turbo generators
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
What happens at 3 phase short circuit:
Phase current and excitation current at short circuit in voltage zero crossing
Short at voltage zero crossing:
 max. DC component in AC current,
 max. stator flux => through flux linkage max. rotor current (in field and damper winding),
 stator flux is frozen due to no stator voltage => rotor turns below stator flux and AC is
induced in excitation and damper winding,
48/66
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Interpretation of sub-synchronous impedances:
with
Assuming Damper winding in d-axis not
operative:
49/66
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1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Roughly size inductances and resistances:
Reactance
Turbo generators
Salient pole generators
Rule of thump for Turbo-Generators:
50/66
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Current and voltage (related to nominal values) at 3 phase short circuit:
Short circuit in voltage zero crossing (left) and voltage maximum (right)
Short at voltage zero crossing: max. DC component in AC current
Short at voltage maximum: no DC component in AC current
51/66
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und
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Analysis of short circuit currents:
Envelope of AC (left) and DC component (right) of short circuit current
3 characteristic initial values (Ig, Ik´, Ik´´) and time constants (Tg, Td´, Td´´)
to describe the short circuit current characteristic
52/66
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und
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Characteristic parameters to describe short circuit currents:
πΌπ‘˜ =
π‘ˆπ‘ƒ
𝑋𝑑
πΌπ‘˜ ´ =
´´
πΌπ‘˜ =
53/66
Steady state short circuit current (see chapter 2)
π‘ˆπ‘ƒ ´
𝑋𝑑 ´
π‘ˆπ‘ƒ ´´
𝑋𝑑
´´
Transient short circuit current (UP´ calculated under the assumption
that Xd´ replaces Xd just before the short)
Initial AC short circuit current (UP´´ calculated under the
assumption that Xd´´ replaces Xd just before the short)
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Roughly size of time constants:
Time constants
54/66
Turbo generators
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Salient pole generators
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Generator voltage (related to nominal values) at load shedding:
Load shedding without voltage control (left) and fast voltage control (right)
w/o voltage control: Vf const.; VS rise continuously,
with voltage control: Vf = 0; VS returns fast to nominal value
55/66
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Generator voltage (related to nominal values) at load shedding after 3-phase short:
Excitation current and voltage, stator voltage, (all related values)
3-phase short: excitation control tries to recover shorted voltage (Vf = 2);
Load shedding: voltage comes back quickly and supports house load
56/66
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Generators and Large Drives
1.5. Dynamics of synchronous generator operation
Exercise 1.5.1:
Nominal values of a turbo generator: (see exercise 1.3)
1600 MVA; 27,0 KV; 50 Hz; cos Ο† = 0,800; 1500 rpm; xd= 2,1 p.u.;
1. What happens with the generator active, reactive power (inductive or
capacitive) and speed, starting from the operating point under nominal
conditions,
1. If the steam supply to the turbine get stopped
2. If the excitation circuit get broken and excitation current stops
immediately
3. If a 3-phase short happens at the generator terminals
4. If the generator suddenly gets disconnected from the grid
5. If a 3-phase short happens at the generator terminals and, as a result,
short time later, the generator suddenly gets disconnected from the grid
Beispiel 4.2, S. 93
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Energietechnik
Dr.-Ing. Georg Möhlenkamp
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Leistungselektronik
und
Antriebssysteme
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Technische
Universität
Cottbus - Senftenberg
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1.6. Cooling
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und
Antriebssysteme
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1.6. Synchronous generator design: Cooling
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und
Antriebssysteme
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1.6. Synchronous generator design: Cooling
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und
Antriebssysteme
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1.6. Synchronous generator design: Cooling
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und
Antriebssysteme
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1.6. Synchronous generator design: Cooling
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und
Antriebssysteme
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1.6. Synchronous generator design: Cooling
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Antriebssysteme
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1.6. Synchronous generator design: Cooling
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1. State of the art synchronous generator design
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