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Title:
ELECTRICAL DEVICE HAVING AN INTERNAL CIRCULATION UNIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/115155
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electrical device (5) for connecting to a high-voltage network. The electrical device is, for example, a transformer (5) comprising a boiler (6) which has an internal chamber filled with an insulating fluid (7) and in which a magnetisable core (8) and at least one winding (9) are arranged, and comprising a cooling system (11) having at least one radiator (1) which is arranged outside the boiler (6) and is connected to same for circulating the insulating fluid (7) via the radiator (1). In order to cost-effectively accelerate a cold start, a circulation unit (14) arranged at least partially in the boiler (6) is proposed, which is configured for circulating the insulating fluid (7) in the boiler (6).

Inventors:
BACHINGER FLORIAN (AT)
KAINEDER KURT (AT)
NEUMÜLLER GERNOT (AT)
Application Number:
EP2018/081670
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
November 19, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (80333, DE)
International Classes:
H01F27/02; H01F27/12
Foreign References:
US3261905A1966-07-19
EP2988311A12016-02-24
DE19816650A11999-10-21
US2759987A1956-08-21
US2917701A1959-12-15
US4321421A1982-03-23
DE317410C1919-12-18
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrisches Gerät (5) zum Anschluss an ein Hochspannungs netz mit

- einem Kessel (6), dessen Innenraum mit einem Isolier

fluid (7) befüllt ist und in dem ein magnetisierbarer Kern (8) und wenigstens eine Wicklung (9) angeordnet sind, und

- einer Kühlanlage (11), die wenigstens einen Radiator (1) umfasst, der außerhalb des Kessels (6) angeordnet und mit diesem zum Umwälzen des Isolierfluids (7) über den Radiator (1) verbunden ist,

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h

eine zumindest teilweise im Kessel (6) angeordnete Umwälzein richtung (14), die zum Umwälzen des Isolierfluids (7) im Kes sel (6) eingerichtet ist.

2. Elektrisches Gerät (5) nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Umwälzeinrichtung (14) eine Pumpe (15) aufweist, die mit einem Pumpenzu- (16) und einem Pumpenablauf (17) ausgerüstet ist, wobei der Pumpenzulauf (16) und der Pumpenablauf (17) in den Innenraum des münden.

3. Elektrisches Gerät (5) nach Anspruch 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Pumpe (15) außerhalb des Kessels (6) angeordnet ist.

4. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

der Pumpenablauf (17) oder der Pumpenzulauf (16) im Bereich eines Ausgangs eines Verbindungsrohres (2,4) zwischen Radia tor (1) und Kessel (6) in den Innenraum mündet.

5. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlanlage (11) eine passive Kühlanlage ist.

6. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Kühlanlage (11) mehrere Radiatoren (1) aufweist.

7. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

jeder Radiator (1) zueinander parallel geschaltete Wärmeaus tauschglieder (3) aufweist und mit einem oberen Radiatorzu lauf (2) und einem unteren Radiatorablauf (4) ausgerüstet ist, die jeweils mit dem Kessel (6) und über die Wärmeaus tauschglieder (3) miteinander verbunden sind, wobei das Wär meaustauschglied (12), das den geringsten Abstand zum Kessel aufweist, mit einem Heizelement (18) oder einer Wärmedämmung (13) ausgerüstet ist.

8. Elektrisches Gerät (5) nach einem der vorhergehenden An sprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

der Pumpenzulauf (16) in einem oberen Bereich des Kessels (6) in dessen Innenraum mündet.

Description:
Beschreibung

Elektrisches Gerät mit innerer Umwälzeinrichtung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit einem Kessel, dessen Innenraum mit einem Isolierfluid befüllt ist und in dem ein magneti sierbarer Kern und wenigstens eine Wicklung angeordnet sind, und einer Kühlanlage, die wenigstens einen Radiator umfasst, der außerhalb des Kessels angeordnet und mit diesem zum Um wälzen des Isolierfluids über den Radiator verbunden ist.

Ein solches Gerät ist dem Fachmann aus der Praxis bekannt. So weisen beispielsweise Transformatoren einen mit Isolierfluid befüllten Kessel auf, in dem ein magnetisierbarer Kern ange ordnet ist. Der Kern bildet Schenkel aus, die jeweils kon zentrisch zu einer diesen umschließenden Unter- und Oberspan nungswicklung angeordnet ist. Das Isolierfluid dient zur elektrischen Isolierung der beim Betrieb des Transformators auf einem Hochspannungspotential liegenden Wicklungen gegen über dem auf Erdpotential liegenden Kessel. Darüber hinaus stellt das Isolierfluid die notwendige Kühlung der Wicklungen bereit. Hierzu wird das von den Wicklungen erwärmte Isolier fluid über außen an dem Kessel angebrachte Radiatoren umge wälzt .

Die Viskosität des Isolierfluids ist temperaturabhängig und steigt bei abfallenden Temperaturen sehr stark an. Aufgrund der erhöhten Viskosität ist bei tiefen Außentemperaturen, un ter —10 °C, die Zirkulation des Isolierfluids über den oder die Radiatoren beeinträchtigt. Dies ist insbesondere nach längerem Stillstand des elektrischen Geräts problematisch, da das Isolierfluid dann vollständig ausgekühlt ist. Die hohe Viskosität ist im Hinblick auf die reduzierte Kühlleistung der Kühlanlage beim Kaltstart des elektrischen Gerätes zu be rücksichtigen, da die Wicklungen ansonsten überhitzt werden können . So wird ein Transformator beispielsweise im Leerlauf oder un ter reduzierter Last gestartet. Weist das elektrische Gerät eine aktive Kühlung auf, können Pumpen zum Umwälzen des Iso lierfluids über den Radiator erst dann eingeschaltet werden, wenn das Isolierfluid im Kessel einen minimalen Temperatur schwellenwert überschritten hat. Dieser Temperaturschwellen wert wird in manchen Fällen jedoch erst nach einigen Tagen erreicht .

Darüber hinaus kommen zunehmend alternative Isolierfluide, wie Ester- und Silikonöle in elektrischen Geräten der oben genannten Art zum Einsatz. Esteröle als Isolierfluide weisen zwar eine verbesserte Umweltverträglichkeit auf. Nachteilig ist jedoch, dass diese bei Temperaturen im Bereich von unter -10 °C eine so hohe Viskosität aufweisen können, dass ein Kaltstart des elektrischen Gerätes praktisch unmöglich gewor den ist.

Die DE 317410 offenbart einen Ölschalter, der einen mit einem mineralischen Öl befüllten Kessel aufweist. Im oberen Bereich des Kessels erstreckt sich ein Strompfad, der bei Betrieb des elektrischen Geräts erwärmt wird. Insbesondere nach einem Kaltstart zirkuliert das von dem Strompfad erwärmte Öl ledig lich im oberen Bereich des Kessels. Um auch das Öl aus dem unteren Bereich für die Kühlung zu gewinnen, ist an dem Kes sel ein äußeres Überbrückungsrohr vorgesehen, das mit einem Heizelement ausgerüstet ist. Darüber hinaus sind Hilfsvor richtungen mit einer Pumpe bekannt, welche das Isolierfluid mittels außerhalb des Kessels angebrachter Kühlrohre in Bewe gung setzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Gerät der ein gangs genannten Art bereitzustellen, mit dem ein Kaltstart kostengünstig beschleunigt und auch bei tiefen Temperaturen durchgeführt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine zumindest teil weise im Kessel angeordnete Umwälzeinrichtung, die zum Umwäl zen des Isolierfluids innerhalb des Kessels eingerichtet ist.

Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Gerät bereitgestellt, das zum Erleichtern eines Kaltstarts in der Lage ist, das Isolierfluid im Kessel selbst um zu wälzen, ohne dass es da bei an einer außen am Kessel angebrachten Kühleinrichtung ab gekühlt wird. Im Rahmen der Erfindung kommt es daher nicht zu einer merklichen Wärmeabgabe und zu einem erneuten Abkühlen des Isolierfluids in einer außerhalb des Kessels angeordneten Komponenten. Das Umwälzen des Isolierfluids innerhalb des Kessels führt dazu, dass das gesamte im Kessel angeordnete Isolierfluid bei einem Kaltstart des elektrischen Geräts dem erwärmten Aktivteil zugeführt und von diesem aufgeheizt wird. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass allein das Umwälzen des Isolierfluids im Inneren der Kessels ausrei chend ist, um den Kaltstart kostengünstig zu beschleunigen. Erfindungsgemäß ist daher ein effektives und gleichzeitig kostengünstiges Mittel bereitgestellt, mit dem einen Kalt start auch bei sehr tiefen Temperaturen von weniger als -10° Grad Celsius zu ermöglichen.

Vorteilhafterweise ist die Pumpe außerhalb des Kessels ange ordnet. Auf diese Weise ist die Pumpe von außen zugänglich, so dass die Wartung der Pumpe und somit der Umwälzeinrichtung insgesamt vereinfacht ist.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung mündet der Pum penablauf oder der Pumpenzulauf im Bereich eines Ausgangs ei ner Verbindungsleitung, die den Kessel mit dem Radiator ver bindet, in dem Innenraum des Kessels. Gemäß dieser Weiterent wicklung sind Zu- oder Ablauf des Radiators mit dem Zu- oder Ablauf der Pumpe in dem Sinne hydraulisch gekoppelt, als die von der Pumpe erzeugte Strömung Isolierfluid aus dem Radiator mitreißt oder mit anderen Worten absaugt bzw. in diesen hin ein drückt, so dass das Umwälzen des sich allmählich erwär menden Isolierfluids über den Radiator unterstützt wird. Vorteilhafterweise ist die Kühlanlage eine passive Kühlanla ge. Im Rahmen der Erfindung kann die Kühlanlage jedoch auch ein Kühlanlagenpumpe aufweisen, die zum Umwälzen des Isolier fluids über den Radiator vorgesehen ist. Bei einer passiven Kühlanlage erfolgt die Strömung über den Radiator allein auf Grund eines Dichtunterschieds des Isolierfluids. Gelangt hei ßes und somit vergleichsweise leichtes Isolierfluid über ei nen oberen Zulauf in den Radiator, kühlt es langsam ab. Hier bei wird es schwerer und sinkt nach unten, bis es über einen unteren Radiatorablauf wieder in den Kessel gelangt, um dort vom Aktivteil wieder angeheizt zu werden.

Vorteilhafterweise weist die Kühlanlage mehrere Radiatoren auf. Mehre Radiatoren ermöglicht eine größere Kühlleistung als nur ein Radiator.

Weiterhin können im Rahmen der Erfindung weitere Mittel in Kombination eingesetzt werden, um den Kaltstart des erfin dungsgemäßen elektrischen Geräts zu beschleunigen oder über haupt erst zu ermöglichen. So weist vorteilhafterweise jeder Radiator zueinander parallel geschaltete Wärmeaustauschglie der auf und ist mit einem oberen Radiatorzulauf und einem un teren Radiatorablauf ausgerüstet. Radiatorzu- und -ablauf sind jeweils mit dem Kessel und miteinander über Wärmeaus tauschglieder verbunden. Das Wärmeaustauschglied, das den ge ringsten Abstand zum Kessel aufweist, ist mit einem Heizele ment oder einer Wärmedämmung ausgerüstet. Das Heizelement er wärmt das über das innerste Wärmeaustauschglied geführte Iso lierfluid und beschleunigt den Kaltstart daher zusätzlich. Anstelle der aktiven Erwärmung des Isolierfluids im innersten Wärmeaustauschglied kann diese auch mit einer Wärmedämmein heit versehen sein, die den Wärmeübergang dem Isolierfluid im innersten Wärmeaustauschglied zur Außenatmosphäre herabsetzt. Die Wärmedämmeinheit ist z.B. als Wärmedämmschicht ausgeführt und umhüllt das innerste Wärmeaustauschglied teilweise oder vollumfänglich . Vorteilhafterweise mündet der Pumpenzulauf in einem oberen Bereich des Kessels in dessen Innenraum. Gemäß dieser Weiter entwicklung der Erfindung saugt die Pumpe beim Kaltstart wär meres Isolierfluid in die Umwälzeinrichtung ein, da sich das erwärmte Isolierfluid auf Grund seiner verglichen mit kälte ren Isolierfluid geringeren Dichte im oberen Bereich des Kes sels sammelt. Dies beschleunigt den Kaltstart noch weiter.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Ge genstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeich nung, wobei gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszei chen versehen sind und wobei

Figur 1 einen handelsüblichen Radiator in einer Sei tenansicht,

Figur 2 ein Wärmeaustauschglied des Radiators gemäß

Figur 1 in einer Draufsicht,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in einer schematischen Seitenansicht und

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin

dungsgemäßen elektrischen Geräts in einer schematischen Seitenansicht zeigen.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines handelsüblichen Radiators 1 in einer schematischen Seitenansicht. Es ist er kennbar, dass der Radiator 1 einen oberen Radiatorzulauf 2 aufweist, der über Wärmeaustausch- oder Radiatorenglieder 3 hydraulisch mit einem Rücklauf 4 verbunden ist. Der Radiator zulauf 2 und der Radiatorrücklauf 4 weisen jeweils eine nach links weisende Eingangs- bzw. Ausgangsöffnung auf, über die der Radiator 1 nach seiner Montage mit dem Innenraum eines in Figur 1 nicht dargestellten Kessels kommuniziert. Das Iso lierfluid des besagten Kessels kann dann über den Radiatorzu- lauf 2 die Wärmeaustauschglieder 3 und den Radiatorrücklauf 4 über den Radiator 1 mit seinen Wärmeaustauschgliedern 3 umge wälzt werden. Die Wärmeaustauschglieder 3 sind aus einem wär meleitfähigen Material, wie einem Metall, gefertigt und ste hen in Wärmekontakt mit der Außenatmosphäre. Wird das Iso lierfluid über die Wärmeaustauschglieder geführt, wird somit Wärme von dem erhitzten Isolierfluid an die kältere Außenat mosphäre abgegeben.

Figur 2 zeigt ein Wärmeaustauschglied 3 in einer Stirnan sicht. Es ist erkennbar, dass die Wärmeaustauschglieder 3 plattenförmig ausgebildet sind. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem in Figur 1 gezeigten Radiator 1 um einen so ge nannten Plattenradiator. Die plattenförmigen Wärmeaustausch glieder 3 begrenzen jeweils Strömungskanäle, durch die das über die Wärmeaustauschglieder 3 umgewälzte Isolierfluid ge führt wird. Schließlich gelangt das Isolierfluid in die sam melnde Rückleitung 4 und gelangt von dort als abgekühltes Isolierfluid wieder in den Innenraum des Kessels.

In diesem Zusammenhang sei jedoch darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung die Wärmeaustauschglieder grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein können und beispielsweise als Röh renradiatoren ausgeführt sind.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 5, das hier als Transformator ausgeführt ist. Der Transformator 5 weist einen Kessel 6 auf, der mit einem Isolierfluid 7 befüllt ist. Darüber hinaus sind in dem Kessel 6 ein magnetisierbarer Kern 8 und Wicklungen 9 ange ordnet, von denen in der Figur 3 jedoch nur eine Wicklung schematisch angedeutet ist. Die Wicklungen 9 umfassen jedoch hier eine so genannte Oberspannungswicklung und eine so ge nannte Unterspannungswicklung, die konzentrisch zu einem Schenkel 10 des Kerns 8 angeordnet sind. Die Funktionsweise eines solchen Transformators 5 ist dem Fachmann jedoch be kannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht genauer einge gangen wird. Die notwendigen Anschlussleitungen zum Anschluss der Wicklungen an ein Hochspannungsnetz sind ebenfalls aus Gründen der Übersicht figürlich nicht dargestellt.

Der Transformator 5 ist mit einer außen an dem Kessel 6 ange brachten Kühlanlage 11 bestückt, die hier lediglich einen Ra diator 1 gemäß Figur 1 umfasst. Es ist erkennbar, dass der Radiatorzulauf 2 und der Radiatorrücklauf 4 in den Innenraum des Kessels 6 münden. Da der Radiatorzulauf 2 und der Radia torrücklauf 4 über Wärmeaustauschglieder 3 miteinander ver bunden sind, ist ein Umwälzen des Isolierfluids 7 über den Radiator 1 ermöglicht. Ein Wärmeaustauschglied 3, das den ge ringsten Abstand zum Kessel 6 aufweist, das so genannte in nerste Radiatorglied 12, ist mit einer Wärmedämmeinheit 13 ausgerüstet. Die Wärmedämmeinheit 13 besteht aus einer Wärme dämmschicht 13, die das Radiatorglied 12 vollumfänglich um schließt. Die Wärmedämmschicht 13 ist in Figur 3 in einer Schnittansicht gezeigt. Zur Befestigung der Wärmedämmeinheit an dem Radiatorglied 12 dient eine übliche Klebeverbindung.

Zur Beschleunigung des Kaltstarts ist im Inneren des Kessels 6 eine Umwälzeinrichtung 14 angeordnet, die eine Pumpe 15, einen Pumpenzulauf 16 sowie einen Pumpenablauf 17 umfasst.

Die Umwälzeinrichtung 14 ist vollständig innerhalb des Kes sels 6 angeordnet. Bei Betrieb saugt die Pumpe 15 Isolier fluid 7 über den Pumpenzulauf 16 an und lässt diese an der Mündung des Pumpenablaufs 17 mit einer gerichteten Strömung wieder in den Innenraum des Kessels 6 eintreten. Dabei be stimmt der Verlauf des Pumpenablaufs 17, wo die genannte Ein trittsstelle im Kessel 6 liegt und die Richtung der aufge prägten Strömung. In Figur 3 ist der Pumpenablauf 17 nur bei spielhaft als senkrechtes Rohr dargestellt ist, dessen Aus trittsöffnung oder Mündung die Nähe des aus Kern 8 und Wick lungen 9 bestehenden Aktivteils liegt. Auf diese Weise wird das Isolierfluid 7 durch das innere Umwälzen mittels der Um wälzeinrichtung 14 fortwährend am Aktivteil 8 und 9 vorbeige führt . Nach einem längeren Stillstand des Transformators 5 ist das Isolierfluid 7 vollständig abgekühlt. Insbesondere bei nied rigen Außentemperaturen, beispielsweise im Bereich von

-10 °C bis -50 °C, weist das Isolierfluid 7 eine so hohe Visko sität auf, ist mit anderen Worten so zähflüssig, dass es auch nach einem längeren Startvorgang nicht mehr über den Radiator 1 umgewälzt wird. Aus diesem Grunde ist die Wärmedämmeinheit 13 vorgesehen, die dafür sorgt, dass nur geringfügig erwärm tes Isolierfluid nicht gleich wieder im innersten Wärmeaus tauschglied 12 abgekühlt wird. Somit kann im Rahmen der Er findung die Oberspannungswicklung der Wicklung 9 an das Hoch spannungsnetz angeschlossen werden. An die Unterspannungs wicklung wird hingegen ein hierfür zweckmäßiger Widerstand angelegt, so dass der Transformator 5 nicht unter Volllast betrieben wird. Hierbei kommt es zu einem allmählichen Erwär men des Isolierfluids 7 und somit der Außenwand des Kessels 6. Durch das innere Umwälzen mittels der Umwälzeinrichtung 14 wird das Isolierfluid 7 gleichmäßiger erwärmt. Die sich all mählich einstellende fortwährende Erwärmung des Isolierfluids 7 überträgt sich nach und nach auch auf die Wärmeaustausch glieder 3 des Radiators 1, bis schließlich der gewünschte Be triebszustand erreicht ist.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Transformators 5, der dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weitestgehend entspricht. Allerdings ist im Gegensatz zu dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Pumpe 15 außerhalb des Kessels 6 angeordnet, wobei sich der Pumpenzulauf 16 und der Pumpenablauf 17 jeweils durch die Wandung des Kessels 6 hindurch in den Innenraum des Kessels 6 hinein erstrecken. Figürlich nicht dargestellte Dichtmittel sorgen dafür, dass das Isolierfluid 7 nicht aus dem Kessel 6 austreten kann. Es ist erkennbar, dass die Mündung oder Öff nung des Pumpenzulaufs 16 im Bereich der Mündung des Radia torablaufs 4 liegt. Hierbei kann die Mündung des Radiatorab laufs 4 auch allgemeiner als Ausgang eines Verbindungsrohres 4 zwischen Kessel und Radiator 1 bezeichnet werden. Entspre chendes gilt für den Eingang des Zulaufs 2. Der Pumpenablauf 17 mündet in dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel un terhalb der Wicklungen 9. Durch das innere Umwälzen saugt die Pumpe 15 Isolierfluid aus dem Mündungsbereich des Radiatorab laufs 4 ab. Hierdurch entsteht eine Sogwirkung, welche das Umwälzen des Isolierfluids über die Wärmeaustauschglieder 3 des Radiators 1 unterstützt.

Das innerste Wärmeaustauschglied 12, das den geringsten Ab stand zum Kessel 6 aufweist, ist nicht mehr mit einer Wärme dämmeinheit ausgerüstet. Stattdessen erstreckt sich ein Wär merohr 18 als Heizelement zwischen dem innersten Wärmeaus tauschglied 12 und der Wandung des Kessels 6. Beim Kaltstart kommt es zunächst zu einer Erwärmung des Kessels 6, wobei die Wärme über das Wärmerohr 18 auf das innere Wärmeaustausch glied 12 übertragen wird, so dass auch auf diese Art und Wei se der Kaltstart beschleunigt wird. Die Wirkungsweise eines Wärmerohrs ist dem Fachmann bekannt, so dass Ausführungen hierzu entfallen können. Statt Wärmerohr 18 kann das innerste Wärmeaustauschglied auch durch ein anderes Heizelement er wärmt werden.

Bei den in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispie len ist die Eingangsöffnung des Pumpenzulaufs 16 im unteren Bereich des Kessels 6 angeordnet. Im Rahmen der Erfindung kann die Eingangsöffnung des Pumpenzulaufs 16 aber auch im oberen Bereich des Kessels angeordnet sein. Im oberen Bereich ist das Isolierfluid wärmer als im unteren Bereich, so dass Wärme noch schneller verteilt wird.

Abschließend sei angemerkt, dass die Lastregelung beim Kalt start im Rahmen der Erfindung beliebig sein kann. Abweichend von den oben genannten Umsetzungen des Kaltstarts kann das erfindungsgemäße elektrische Gerät auch unter Volllast ge startet werden.