Fault-tolerant power electronic converters based on three-level NPC topology for application in wind turbine systems

Die dreistufige Neutral Point Clamped (kurz: 3L-NPC) Topologie gilt als vielversprechendster Typ für das elektrische Umrichtersystem in Windenergieanlagen mit hoher Leistung oberhalb von 3MW und kommt dort bereits heutzutage am häufigsten zum Einsatz. Dennoch stellt die im Vergleich zu anderen Topologien geringere Zuverlässigkeit aufgrund fehlender Hardware-Redundanz einen bedeutenden Nachteil dar. Weiterhin ist die Behandlung der Konkurrenzsituation zwischen der Ausbalancierung der für diesen Umrichtertyp charakteristischen Neutralpunktspannung und den Optimierungszielen der Ansteuerverfahren als Herausforderung anzuführen. In dieser Arbeit wird die Ausstattung dieses Umrichtertyps mit der Eigenschaft der Fehlertoleranz gegenüber Fehlern in den Leistungshalbleiter-Ventilen als mögliche Strategie für die Erhöhung der Zuverlässigkeit untersucht. Dabei steht die für Mittelspannungsumrichter typische Presspack-Bauform im Fokus. Für denkbare fehlertolerante Topologien werden die Fehlertoleranz und der Nutzen für die Zuverlässigkeit, der technische Aufwand und die Kosten sowie die Auswirkungen auf den Betrieb analysiert und bewertet. [...] Die Topologie mit 3L-FC-basierter Zusatzhalbbrücke stellt zusätzliche Vorteile in Aussicht, da sie im Normalbetrieb die Möglichkeit bietet, die Aufgabe der Ausbalancierung der Neutralpunktspannung vollständig zu übernehmen. Daher wird zunächst ein geeignetes Ansteuerverfahren entwickelt und in Theorie, Simulation und Praxis mit Hilfe eines selbst konzipierten Laborteststandes näher untersucht. [...] Weiterhin wird der tatsächliche Nutzen der Topologie für den vorliegenden Anwendungsfall analysiert. [...] Als Schlüssel für die Umschaltung zwischen Normal- und Notbetrieb werden weiterhin die Fehlerdetektion, Fehlerisolierung und Rekonfiguration für beide fehlertolerante Topologien in Theorie und Praxisanteilen untersucht. Dabei werden für alle zu tolerierenden Fehler Strategien aufgezeigt, die eine derartige Umschaltung ermöglichen.The three-level Neutral Point Clamped (short: 3L-NPC) topology is considered to be the most promising type of power electronic converter in high power wind turbine systems above 3 MW. In such applications it is already the most frequently used type of converter nowadays. Nevertheless, the reduced reliability due to lack of hardware redundancy in contrast to other topologies is an important disadvantage. Furthermore the competitive situation between the neutral-point voltage balance, which is distinctive to this type of converter, and the objectives of the modulation methods is a challenge. In this work the endowment of this type of power electronic converter with the ability of fault tolerance towards failures in power semiconductor switches is investigated as a strategy to increase the reliability, whereas focus is set on presspack devices, which are typically used for medium voltage converters. The fault tolerance and the benefit in regard to reliability, the technical effort and the costs as well as the impact on operation are analysed and evaluated for possible fault tolerant topologies. [...] The topology with 3L-FC based leg promises additional advantages, since it provides the possibility to completely manage the task of voltage balancing in normal operation mode. Therefore a suitable method to control the converter is developed and analysed by means of theory, simulation and experimental results, which are taken from a selfbuilt laboratory test bench. [...] Afterwards the benefit of this topology is analysed in regard to this specific application. [...] As the key for switching between normal and fault operation mode both topologies are investigated in terms of fault detection, fault isolation and reconfiguration by means of theory and experimental parts. It is shown that there are strategies to change operation mode in case of any fault that is to be tolerated

Surface Core-Level Shifts at an oxygen-rich Ru Surface: O/Ru(0001) vs. RuO_2(110)

We present density-functional theory calculations of Ru 3d and O 1s surface core-level shifts (SCLSs) at an oxygen-rich Ru(0001) surface, namely for the O(1x1)/Ru(0001) chemisorption phase and for two surface terminations of fully oxidized RuO_2(110). Including final-state effects, the computed SCLSs can be employed for the analysis of experimental X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) data enabling a detailed study of the oxidation behaviour of the Ru(0001) surface. We show that certain peaks can be used as a fingerprint for the existence of the various phases and propose that the long disputed satellite peak in RuO_2(110) XPS data originates from a hitherto unaccounted surface termination.Comment: 7 pages including 3 figures. Surf. Sci. in press. Related publications can be found at http://www.fhi-berlin.mpg.de/th/paper.htm

Fallbeispiele aus dem Neugeborenenscrenning-System Hessen

Das Neugeborenen-Hörscreening in Hessen stützt sich neben den medizinischen Einrichtungen, in denen das Screening selbst durchgeführt wird, vor allem auf das Hessische Kinderversorgungszentrum am Universitätsklinikum Frankfurt/Main, Standort Gießen. Von dort aus werden alle Screeningergebnisse zentral verwaltet und Eltern auf noch fällige Follow-up-Untersuchungen aufmerksam gemacht. Anhand von 5 Fallbeispielen werden Sonderfälle und die Schwierigkeiten des flächendeckenden Neugeborenen-Hörscreenings in Hessen dargelegt und gezeigt, dass eine zentrale Datensicherung und ein Tracking zur Organisation des Neugeborenen-Hörscreenings unerlässlich ist und wie die optimale Zusammenarbeit zwischen den Geburtskliniken und den Follow-up-Einrichtungen eine mögliche Problemlösung bieten kann

Tribology of Wire Arc Spray Coatings under the Influence of Regenerative Fuels

In order to further optimize the efficiency of today’s internal combustion engines, specific coatings are used on functional surfaces to reduce internal engine friction and wear. In the current research project, oxymethylene ether (OME) is discussed because it is CO2 neutral and has a strong soot-reducing effect as a fuel or fuel additive. In some operational regimes of the internal combustion engine a dilution of engine oil by fuel must be assumed. In this paper, the frictional contact between piston ring and cylinder raceway is modelled using a pin-on-disk tribometer and the friction and wear behavior between a diamond-like carbon coating (DLC) and a thermal spray coating is characterized. The wear of the spray layer could be continuously detected by radionuclide technology (RNT). With the aid of photoelectron spectroscopic measurements (XPS), the steel thermal spray coating was chemically analyzed before and after the tribometer tests and the oxidative influence of OME was investigated. In addition, confocal microscopy was used to assess the topographies of the specimens. The measurements showed that the addition of OME to the lubricant reduced the viscosity and load-bearing capacity of the lubricating film, which led to an increase in the coefficient of friction. While almost no wear on the pin could be detected at 10% OME, the first visible material removal occurs at an OME content of 20% and the layer delaminated at 30% OME. The evaluation of the RNT wear tests showed that both the tests with engine oil and with engine oil plus 20% OME achieved very low wear rates. No corrosion of the thermal spray coating could be detected by XPS. Only the proportion of engine oil additives in the friction track increased with increasing OME concentration

Metastable precursors during the oxidation of the Ru(0001) surface

Using density-functional theory, we predict that the oxidation of the Ru(0001) surface proceeds via the accumulation of sub-surface oxygen in two-dimensional islands between the first and second substrate layer. This leads locally to a decoupling of an O-Ru-O trilayer from the underlying metal. Continued oxidation results in the formation and stacking of more of these trilayers, which unfold into the RuO_2(110) rutile structure once a critical film thickness is exceeded. Along this oxidation pathway, we identify various metastable configurations. These are found to be rather close in energy, indicating a likely lively dynamics between them at elevated temperatures, which will affect the surface chemical and mechanical properties of the material.Comment: 11 pages including 9 figures. Submitted to Phys. Rev. B. Related publications can be found at http://www.fhi-berlin.mpg.de/th/paper.htm