Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της λειτουργίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τοπολογίας μήτρας (matrix converters) και, ειδικότερα, των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας με τρία σκέλη αποτελείται από 18 τρανζίστορ ισχύος και 18 διόδους ισχύος και χρησιμοποιείται για τη μετατροπή μίας τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση στην έξοδό του, με δυνατότητες ρύθμισης του πλάτους και της συχνότητας της τάσης εξόδου, διαμόρφωσης του ρεύματος εισόδου, ρύθμισης του συντελεστή ισχύος στην είσοδο και αμφίδρομης ροής ισχύος. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε ένα στάδιο, χωρίς ενδιάμεσο στάδιο συνεχούς τάσης (ή συνεχούς ρεύματος), με αποτέλεσμα την αποφυγή χρήσης πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας και πηνίων μεγάλης επαγωγιμότητας. Οι μετατροπείς τοπολογίας μήτρας χαρακτηρίζονται από υψηλούς βαθμούς απόδοσης, υψηλές πυκνότητες ισχύος και πολύ μεγάλους λόγους ισχύος προς μάζα, ενώ το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης εξόδου και του ρεύματος εισόδου αυτών είναι μικρό. Η πολυπλοκότητα αυτών των μετατροπέων είναι υψηλή και η δυσκολία υλοποίησής τους σημαντική. Η διερεύνηση των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας στα πλαίσια της παρούσας διατριβής εστιάστηκε κυρίως στην ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος που συμβαίνουν στο μετατροπέα, καθώς και στην ανάπτυξη μεθόδων παλμοδότησης αυτών που βασίζονται στη χρήση φορέα για την κανονική και επανορθωτική τους λειτουργία. Η διατριβή αυτή περιλαμβάνει οκτώ κεφάλαια, το περιεχόμενο των οποίων περιγράφεται ακολούθως. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία εισαγωγή στους στόχους και τη διάρθρωση της παρούσας διατριβής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μία εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση μεταβλητής συχνότητας και πλάτους. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή και η σύγκριση διαφόρων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας, καθώς και η περιγραφή των συμβατικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για την ίδια μετατροπή τάσης και η σύγκριση τους με τις δύο βασικότερες παραλλαγές των μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι μέθοδοι που εφαρμόζονται για τον έλεγχο του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Συγκεκριμένα, περιγράφονται και συγκρίνονται διάφορες μέθοδοι παλμοδότησης που χρησιμοποιούνται σε αυτούς τους μετατροπείς, καθώς και οι βασικότερες μέθοδοι μετάβασης του ρεύματος. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή μίας νέας μεθόδου παλμοδότησης με τη χρήση φορέα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και οδηγεί σε μειωμένες διακοπτικές απώλειες για χρήση στην περίπτωση που ο επιθυμητός λόγος μεταφοράς τάσης είναι μικρότερος ή ίσος του 50%. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας που σχεδιάσθηκε και κατασκευάσθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και τα υπόλοιπα στοιχεία της πειραματικής διάταξης. Επιπρόσθετα, παρατίθενται ορισμένα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών που αφορούν τη λειτουργία επιμέρους τμημάτων του μετατροπέα. Στο Κεφάλαιο 5, αρχικώς, γίνεται μία σύντομη περιγραφή του μοντέλου του υπό μελέτη συστήματος στο περιβάλλον του λογισμικού Matlab/Simulink, παρατίθενται οι τιμές διαφόρων παραμέτρων αυτού και παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Επιπρόσθετα, περιγράφεται μία μέθοδος διανυσματικού ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής μίας ασύγχρονης μηχανής τροφοδοτούμενης από άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 6 εξετάζονται τα πιθανά σφάλματα στον άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αναλυτικά οι μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος και εντοπισμού ανοικτοκυκλωμένων τρανζίστορ σε αυτόν το μετατροπέα που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Περιγράφονται, επίσης, ορισμένες τεχνικές επεξεργασίας σήματος και στοιχεία της θεωρίας των ασαφών έμπειρων συστημάτων, τα οποία χρησιμοποιούνται στις μεθόδους διάγνωσης που προτάθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφονται τοπολογίες και μέθοδοι παλμοδότησης για την επανορθωτική λειτουργία κινητηρίων συστημάτων με άμεσους μετατροπείς τοπολογίας μήτρας μετά την εμφάνιση σφαλμάτων στο μετατροπέα. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή δύο μεθόδων παλμοδότησης με χρήση φορέα για την επανορθωτική λειτουργία του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας μετά από ένα σφάλμα ανοικτοκυκλώματος, μία για το μετατροπέα με πρόσθετο (τέταρτο) σκέλος και μία για το μετατροπέα χωρίς πρόσθετα στοιχεία, που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 επισημαίνεται η συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής στην έρευνα σχετικά με τους Μ.Τ.Μ., ανακεφαλαιώνονται τα αποτελέσματα αυτής και αναφέρονται σημεία που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο επιστημονικής έρευνας στο μέλλον. / This thesis was focused on the research in the matrix converters domain and, particularly, in direct matrix converters. The 3-leg direct matrix converter consists of 18 power transistors and 18 power diodes and is used for the conversion of a three-phase AC voltage to a three-phase AC voltage of variable amplitude and variable frequency. This topology is also capable of modulating the input current and adjusting the input power factor, whereas bidirectional power flow is allowed. This conversion is achieved in one stage with the direct connection of the input phases with the output phases, without using an intermediate DC link stage, resulting in elimination of the use of large capacitors and large inductors. The use of the matrix topology in power converters results in high efficiency, high power density and very high power-to-mass ratio, whereas the harmonic distortion of the output voltage and the input current is low. The complexity of the matrix converters is high resulting in significant implementation effort. In this thesis, the research in direct matrix converters was focused mainly on the development of diagnosis methods for open-circuit faults that arise in the matrix topology, as well as the development of carrier-based modulation methods for the normal and remedial operation of these converters. This thesis contains eight chapters, the content of which is described below. In Chapter 1 an introduction and a brief description of the aims and the structure of this thesis are provided. In Chapter 2 an introduction to the AC-AC power converters used for the modulation of an output voltage of variable amplitude and variable frequency is provided. A description and a comparison of various matrix converter topologies, a description of the conventional topologies used for the same voltage conversion and a comparison of the latter with the two most popular matrix topologies are included in this chapter. In Chapter 3 the methods required for the control of the direct matrix converter are presented. In detail, various modulation methods are described and compared and the most significant commutation methods are presented. In this chapter a novel carrier-based modulation method that was proposed in this work is also described which results in reduced switching losses for use in cases that the required voltage transfer ratio is up to 50%. In Chapter 4 the direct matrix converter that was designed and constructed in this work is presented and other parts of the experimental setup are described. Additionally, some experimental results related to the operation of matrix converter parts are provided. In Chapter 5 a brief description of the studied system’s model that was created using the Matlab/Simulink software is provided, the value of various parameters of this model is given and simulation results of the normal (healthy) operation of the matrix converter are presented and commented. Additionally, a vector control method for the speed control of an induction machine fed by a matrix converter is described and simulation results of its operation are demonstrated. Finally, experimental results of the normal operation of the matrix converter are presented and commented. In Chapter 6 the possible faults in direct matrix converters are studied and the methods to detect open-circuit faults and the open-circuited transistors localization method that were developed in this work are presented. Additionally, a description of signal processing methods and the basic theory of fuzzy inference systems, which are used by the proposed diagnosis methods, are included. In Chapter 7 topologies and modulation methods used for the remedial operation of the direct matrix converter after the occurrence of a fault are presented. In this chapter two carrier-based modulation methods for the remedial operation of the direct matrix converter after an open-circuit fault occurrence that were developed in this work are also described, one for the case of using a redundant (fourth) leg and one for the case of not using any redundant switches. In Chapter 8 the contribution of this thesis to the research in the matrix converters domain is highlighted, its additional results are noted and subjects of possible future work are provided.

Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα διαφόρων κυκλωμάτων ελέγχου που βασίζονται στην υπολογιστική νοημοσύνη με σκοπό την αντιμετώπιση βραχυκυκλωμάτων σε δίκτυα διασύνδεσης ανεμογεννητριών με το δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, τα προτεινόμενα συστήματα ελέγχου έχουν σκοπό τη διαμόρφωση κατάλληλων συνθηκών ώστε οι ανεμογεννήτριες να καταφέρουν να συνεχίσουν να είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο κατά τη διάρκεια και αμέσως μετά τα βραχυκυκλώματα, συνεισφέροντας στη γρήγορη επαναφορά της τάσης στο Σημείο Κοινής Σύνδεσης με το Δίκτυο (ΣΚΣΔ). Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε ένα προσαρμοζόμενο ασαφές σύστημα ελέγχου με σκοπό τη βελτιωμένη απόκριση Αιολικού Πάρκου (ΑΠ) με επαγωγικές γεννήτριες που τροφοδοτεί ένα ασθενές σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας μέσω διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με Μετατροπείς Πηγής Τάσης (ΜΠΤ). Το σύστημα αυτό εντοπίζει τη σοβαρότητα του σφάλματος και διαμορφώνει ανάλογα την παλμοδότηση των βαλβίδων των ΜΠΤ κατά τη διάρκεια του σφάλματος. Επίσης, έχει την ιδιότητα να αυτορυθμίζεται κατά τη διάρκεια της μετασφαλματικής περιόδου, επιτυγχάνοντας εξασθένηση της ταλαντωτικής συμπεριφοράς του συστήματος που προκαλείται από τα βραχυκύκλωμα και την παραμονή των ανεμογεννητριών στο δίκτυο. Το ηλεκτρικό σύστημα που μελετήθηκε στο δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής περιλαμβάνει μια επαγωγική ανεμογεννήτρια διπλής τροφοδότησης (γνωστή με την ονομασία double-fed induction machine) η οποία τροφοδοτεί ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στη βιβλιογραφία που έχει δημοσιευθεί μέχρι σήμερα, για την αντιμετώπιση των βραχυκυκλωμάτων σε ανάλογα ηλεκτρικά συστήματα, προτείνονται διατάξεις οι οποίες βασίζονται είτε σε κατάλληλο μηχανικό εξοπλισμό όπως μπάρες βραχυκύκλωσης (crowbars) είτε σε κατάλληλο προγραμματισμό των ελεγκτών. Σε αυτό το μέρος της διατριβής προτείνεται ένα εναλλακτικό σύστημα ελέγχου που βασίζεται στον κατάλληλο προγραμματισμό των ελεγκτών, χωρίς να χρησιμοποιεί κάποιον εξοπλισμό προστασίας. Το σύστημα ελέγχου, το οποίο βασίζεται στους γενετικούς αλγορίθμους, συμβάλει στη βέλτιστη «συνεργασία» των δύο ΜΠΤ της γεννήτριας, επιτυγχάνοντας την εξασθένιση των διακυμάνσεων της τάσης στο ΣΚΣΔ και τη διατήρηση της σύνδεσης της γεννήτριας στο ηλεκτρικό δίκτυο. / This thesis studies the implementation of intelligent control techniques in the Fault Ride-Through (FRT) of grid connected Wind Turbines (WTs). The first part of the dissertation studies the issue of the fault ride-through capability of a wind farm of induction generators, which is connected to an ac grid through an HVDC link based on Voltage Sourced Converters (VSCs). This work proposes a control strategy which is implemented with adaptive fuzzy controllers and deals with every different type of fault with a corresponding appropriate action, blocking the converter valves for a time interval which depends on the severity of the fault. In addition, after the deblocking of the valves, the proposed control system activates a special controller, which alleviates the oscillations at the electrical system caused by the blocking of the valves. In this way, the overcurrents are limited, the wind turbines manage to remain connected and the ac voltage recovers quickly, as it is imposed by national grid codes. The second part of the dissertation proposes a Computational Intelligence–based control strategy, to enhance the low voltage ride-through capability of grid-connected WTs with doubly fed induction generators (DFIGs). The conventional crowbar-based systems that were initially applied in order to protect the rotor-side converter at the occurrence of grid faults, do not fulfill the recent requirement of the national GCs that the WTs should supply reactive power to the grid during and after the fault, in order to support the grid voltage. In order to conform to the above mentioned requirement, this work proposes a control scheme, which contributes to the optimal coordination of the two converters, aiming to attenuate the disturbances to the system caused by the fault and ensure system stability. Aiming to encounter the difficulties met due to the uncertainties of the system modeling and considering the non linearity of the system, the controllers were designed based on fuzzy logic and genetic algorithms, which are more efficient in such cases. By this concept the overcurrents at the rotor windings and the dc side overvoltages are effectively eliminated. In addition, the FRT requirement concerning the reactive power supply is fulfilled.

Παρά τον μεγάλο όγκο της βιβλιογραφίας σχετικά με τα αποτελέσματα της αντιμετώπισης των ασταθών καταγμάτων του περιφερικού άκρου της κερκίδας με κλειστή ανάταξη και ελάχιστα επεμβατική οστεοσύνθεση υπάρχουν ακόμα σημαντικά αναπάντητα ερωτήματα. Πιό συγκεκριμένα, δεν υπάρχουν επαρκή στοιχεία γιά τον ρυθμό αποκατάστασης των κλινικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια της μετατραυματικής περιόδου, γιά το τελικό αποτέλεσμα όπως εκφράζεται από τους ασθενείς με τη χρήση κλιμάκων αυτο-αξιολόγησης, καθώς και γιά τον βαθμό επίδρασης συγκεκριμένων ακτινολογικών παραμέτρων στο τελικό λειτουργικό αποτέλεσμα. Επίσης, δεν έχει διερευνηθεί ο συσχετισμός μεταξύ της ακτινολογικής παραμέτρου της παλαμιαίας γωνίας του περιφερικού άκρου της κερκίδας και των φορτίων που αναπτύσσονται στην φυσιολογική κερκιδοκαρπική άρθρωση. Η εργασία αυτή αποτελεί μία προοπτική μελέτη ασταθών καταγμάτων του περιφερικού άκρου της κερκίδας που αντιμετωπίστηκαν με κλειστή ανάταξη και ελάχιστα επεμβατική (διαδερμική) οστεοσύνθεση. Έγινε ανάλυση ακτινολογικών και κλινικών παραμέτρων καθώς και χρησιμοποίηση κλίμακας αυτο-αξιολόγησης της δυσλειτουργίας της πηχεοκαρπικής άρθρωσης γιά συνολικό διάστημα ενός έτους μετά τον τραυματισμό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ‘τυπικός’ ρυθμός μετατραυματικής αποκατάστασης αντιστοιχεί σε ταχεία κλινική βελτίωση κατά τη διάρκεια των τριών πρώτων μηνών ακολουθούμενη από ήπιου βαθμού δυσλειτουργία. Ωστόσο σημαντική δυσλειτουργία παραμένει σε 10% των ασθενών ένα έτος μετά τον τραυματισμό. Επίσης, τα αποτελέσματα δείχνουν σημαντικές διαφορές στο βαθμό κατά τον οποίο ο περιορισμός συγκεκριμένων αντικειμενικών κλινικών παραμέτρων αντανακλά το επίπεδο δυσλειτουργίας της πηχεοκαρπικής άρθρωσης. Ακτινολογικά, η μόνιμη απώλεια της παλαμιαίας γωνίας, η κερκιδική βράχυνση και η παρουσία ανωμαλίας της αρθρικής επιφάνειας της πηχεοκαρπικής με αρθρικό ‘βήμα’ τουλάχιστον ενός χιλιοστού σχετίζονται με επιμένοντα συμπτώματα πόνου και δυσλειτουργίας, ενώ δεν υπάρχει εμφανής συσχέτιση μεταξύ του τύπου του κατάγματος και του τελικού λειτουργικού αποτελέσματος. Επιπλέον, ανάλυση δυνάμεων της φυσιολογικής πηχεοκαρπικής άρθρωσης έδειξε φορτίσεις που μπορεί να φθάνουν έως 4,2 φορές το ανυψούμενο βάρος, αντίστροφο συσχετισμό μεταξύ της παλαμιαίας γωνίας του περιφερικού άκρου της κερκίδας και του μέγιστου φορτίου στην κερκιδοκαρπική άρθρωση καθώς και μη σημαντική διαφορά μεταξύ της γωνίας διεύθυνσης του μέγιστου φορτίου της κερκιδοκαρπικής και της παλαμιαίας γωνίας του περιφερικού άκρου της κερκίδας. / Despite the large volume of published literature on the results of management of unstable fractures of the distal radius using closed reduction and minimally invasive fixation there are still significant unanswered questions. More specifically, there is no sufficient evidence about the rate of recovery of the clinical parameters over the post-traumatic period, the final outcome as expressed by the patients using self-assessment scores and the degree that specific radiographic parameters influence the final functional outcome. Furthermore, the correlation between the radiographic parameter of volar tilt of the distal radius and the normal loads in the radiocarpal joint has not been investigated. The present thesis is a prospective study of unstable fractures of the distal radius managed with closed reduction and minimally invasive (percutaneous) fixation. Analysis of radiographic and clinical parameters as well as of patient-rated wrist dysfunction score for one year following injury was carried out. The results showed that a ‘typical’ rate of post-traumatic recovery corresponds to an initial rapid clinical improvement for the first three months followed by mild wrist dysfunction. However, significant dysfunction persists in 10% of patients one year following injury. Furthermore, the results showed significant differences in the degree to which the restriction of specific objective clinical parameters reflected the level of wrist dysfunction. Regarding the radiographic parameters, permanent loss of palmar tilt of the distal radius, radial shortening and the presence of articular incongruency with an articular ‘step off’ of at least 1 mm correlate with persisting pain and dysfunction while there is no obvious correlation between the fracture type and the final functional outcome. Moreover, force analysis in the normal wrist showed loads as high as 4.2 times the lifted weight, a reverse relationship between the angle of palmar tilt of the distal radius and the maximum radiocarpal load as well as a nonsignificant difference between the angle of the maximum radiocarpal force and the angle of palmar tilt of the distal radius.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε ένα μοντέλο βασιζόμενο σε πρώτες αρχές με σκοπό την περιγραφή και την πρόβλεψη της πρωτονιακής αγωγιμότητας των πλήρως ενυδατωμένων μεμβρανών Nafion (το κυριότερο υλικό που χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης στις κυψέλες καυσίμου τύπου PEM) και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών αυτής, όπως τη γραμμική εξάρτηση από το πάχος της μεμβράνης, το δυναμικό του κελιού και τη μερική πίεση του υδρογόνου. Το μοντέλο εστιάζει στη μετανάστευση των πρωτονίων που είναι συνδεδεμένα στις σουλφονομάδες και χρησιμοποιεί την κατανομή φορτίου Poisson-Boltzmann γύρω από κάθε πρωτόνιο, σε συνδυασμό με την εξίσωση Gamow, που δίνει την πιθανότητα να συμβεί το φαινόμενο σήραγγος σε παραβολικό φράγμα δυναμικού. Προτείνεται ότι το μήκος που διανύεται κατά την πραγματοποίηση του φαινομένου σήραγγος ισούται με το μήκος κύματος του πρωτονίου και ότι κάθε πρωτόνιο περιβάλλεται από το νέφος Debye-Hückel. Το μοντέλο, που δεν εμπεριέχει προσαρμόσιμες παραμέτρους, λύνεται αναλυτικά και οι προβλέψεις του είναι σε ημιποσοτική συμφωνία με το πείραμα. Στις προβλέψεις αυτές συμπεριλαμβάνεται η τάξη μεγέθους της αγωγιμότητας, η γραμμική εξάρτηση της αγωγιμότητας με το πάχος της μεμβράνης, η εκθετική εξάρτηση από το δυναμικό και η ισχυρή εξάρτηση με τη μερική πίεση του υδρογόνου. Μελετήθηκε η κινητική, οι ταλαντώσεις και η ηλεκτροχημική ενίσχυση της οξείδωσης του CO σε καταλυτικό υμένιο Pt εναποτεθειμένο σε YSZ, χρησιμοποιώντας ως βάση την απόλυτη κλίμακα του ηλεκτροδίου του οξυγόνου. Βρέθηκε ότι η ηλεκτροχημική ενίσχυση είναι μικρή (ρ<3, Λ~300) όταν οι τιμές του δυναμικού του καταλύτη, UWR, είναι ανάμεσα σε 0.2 και 0.4 V και πολύ σημαντική (ρ~9, Λ~1500) όταν το UWR υπερβαίνει την τιμή 0.4 V. Η απότομη αλλαγή που παρατηρείται κατά την μετάβαση στην έντονη ηλεκτροχημική ενίσχυση συνοδεύεται και από απότομη αλλαγή στην κινητική της αντίδρασης και στο δυναμικό του καταλύτη. Μέσω της σύγκρισης των πειραματικών αποτελεσμάτων του κεφαλαίου και ανεξάρτητων μετρήσεων του έργου εξόδου μεταβάλλοντας το δυναμικό του καταλύτη για το ίδιο σύστημα, βρέθηκε ότι η μετάβαση οφείλεται στην έντονη μετανάστευση προωθητικών ειδών, Ο2-, από τη YSZ στην επιφάνεια του καταλύτη και την συνεπαγόμενη δημιουργία μιας πυκνής αποτελεσματικής διπλοστιβάδας στη διεπιφάνεια του καταλύτη με τα αέρια αντιδρώντα. Τέλος εξετάστηκε μια τροποποιημένη κυψέλη καυσίμου τύπου PEM η οποία λειτουργεί σε συνθήκες δηλητηρίασης από CO κατά την τριοδική λειτουργία. Στο τριοδικό κελί καυσίμου τύπου PEM εκτός της ανόδου και της καθόδου εισάγεται ένα τρίτο ηλεκτρόδιο το οποίο δημιουργεί ένα επιπλέον βοηθητικό κύκλωμα το οποίο λειτουργεί με ηλεκτρολυτικά ρεύματα και επιτρέπει τη λειτουργία της κυψέλης σε δυναμικά μεταξύ της ανόδου και της καθόδου ανέφικτα κατά τη συμβατική λειτουργία. Βρέθηκε ότι είναι δυνατό να ενισχυθεί η συνολική θερμοδυναμική ενεργειακή απόδοση όταν χρησιμοποιείται ως καύσιμο μίγμα αναμόρφωσης μεθανόλης που αντιστοιχεί σε συνθήκες έντονης δηλητηρίασης από CO. / In the present work a first principles model was developed to describe and predict the protonic conductivity of fully hydrated Nafion membranes and its peculiar non-linear dependence on membrane thickness, potential and PH2. The model focuses on the surface migration of protons between adjacent sulfonate groups and utilizes the Poisson-Boltzmann charge distribution around each proton combined with the basic Gamow equation of quantum mechanics for proton tunneling, for parabolic potential barrier. It was shown that the proton tunneling distance equals the proton wavelength and that each proton surrounded by its Debye-Hückel cloud behaves as a leaking nanobattery. The model, which contains no adjustable parameters, is solved analytically and its predictions are in semiquantitative agreement with experiment, including the magnitude of the conductivity, its linear increase with membrane thickness, its exponential increase with potential and its strong dependence on partial pressure of hydrogen. Moreover it was investigated the kinetics, rate oscillations and electrochemical promotion of CO oxidation on Pt deposited on YSZ using a standard oxygen reference electrode. It was found that electropromotion is small (ρ<3) when the catalyst potential UWR, is between 0.2 and 0.4V and very pronounced (ρ~9, Λ~1500) when UWR exceeds 0.4V. This sharp transition in the electropromotion behavior is accompanied by an abrupt change in reaction kinetics and in catalyst potential. It was shown via comparison with independent catalyst potential–catalyst work function measurements that the transition corresponds to the onset of extensive O2- spillover from YSZ onto the catalyst surface, and concomitant establishment of an effective double layer at the catalyst-gas interface, which is the cause of the highly active electropromoted state Furthermore it was studied a modified PEM fuel cell running in CO poisoning conditions by the triode operation. In addition to the anode and cathode, the triode PEM fuel cell introduces a third electrode together with an auxiliary circuit which is run in the electrolytic mode and permits fuel cell operation under previously inaccessible anode-cathode potential differences. It was found that it is possible to enhance the overall thermodynamic efficiency when it is used a methanol reformate mixture as a fuel, which corresponds to intense CO poisoning conditions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.

H διατριβή διερευνά προβλήματα αποδοτικής οργάνωσης χωροταξικών δεδομένων, προτείνει συγκεκριμένες δενδρικές δομές για τη διαχείρισή τους και, τέλος, δίνει παραδείγματα χρήσης τους σε ειδικές περιοχές εφαρμογών. Το πρώτο κεφάλαιο ασχολείται με το γεωμετρικό πρόβλημα της εύρεσης των ισo-προσανατολισμένων ορθογωνίων που περικλείουν ένα query αντικείμενο που μπορεί να είναι ένα ισο-προσανατολισμένο ορθογώνιο είτε σημείο ή κάθετο / οριζόντιο ευθύγραμμο τμήμα. Για την επίλυσή του προτείνεται μια πολυεπίπεδη δενδρική δομή που βελτιώνει τις πολυπλοκότητες των προηγούμενων καλύτερων λύσεων. Το δεύτερο κεφάλαιο εξετάζει το πρόβλημα της ανάκτησης σημείων σε πολύγωνα. H προτεινόμενη γεωμετρική δομή είναι επίσης πολυεπίπεδη και αποδοτική όταν το query πολύγωνο έχει συγκεκριμένες ιδιότητες. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την εφαρμογή δενδρικών δομών σε δύο βιομηχανικά προβλήματα. Το πρώτο αφορά στη μείωση της πολυπλοκότητας ανίχνευσης συγκρούσεων κατά την κίνηση ενός ρομποτικού βραχίονα σε μια επίπεδη σκηνή με εμπόδια. Ο αλγόριθμος επίλυσης κάνει χρήση μιας ουράς προτεραιότητας και μιας UNION-FIND δομής ενώ αξιοποιεί γνωστές δομές και αλγόριθμους της Υπολογιστικής Γεωμετρίας όπως υπολογισμός κυρτών καλυμμάτων, έλεγχος polygon inclusion, κλπ. Το δεύτερο πρόβλημα ασχολείται με το σχεδιασμό απαιτήσεων υλικών (MRP) σε ένα βιομηχανικό σύστημα παραγωγής. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας MRP επεξεργαστής που χρησιμοποιεί διασυνδεμένες λίστες και εκτελείται στην κύρια μνήμη για να είναι αποδοτικός. Το τελευταίο κεφάλαιο εξετάζει το πρόβλημα του ελέγχου της παραγωγής και συγκεκριμένα της δρομολόγησης εργασιών. Στο πλαίσιο αυτό σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα ευφυές σύστημα δρομολόγησης σε περιβάλλον ροής που συνδυάζει γνωσιακή τεχνολογία και προσομοίωση με on-line έλεγχο προκειμένου να υποστηρίξει το διευθυντή παραγωγής στη λήψη αποφάσεων. / Τhe dissertation examines problems of efficient organization of spatial data, proposes specific tree structures for their management, and finally, gives examples of their use in specific application areas. The first chapter is about the problem of finding the iso-oriented rectangles that enclose a query object which can be an iso-oriented rectangle either a point or a vertical / horizontal line segment. A multilevel tree structure is proposed to solve the problem which improves the complexities of the best previous known solutions. The second chapter examines the problem of point retrieval on polygons. The proposed geometric structure is also multileveled and efficient when the query polygon has specific properties. The third chapter is about the application of tree structures in two manufacturing problems. The first one concerns the reduction in the complexity of collision detection as a robotic arm moves on a planar scene with obstacles. For the solution a priority queue and a UNION-FIND structure are used, whereas known data structures and algorithms of Computational Geometry such as construction of convex hulls, polygon inclusion testing, etc. are applied. The second problem is about material requirements planning (MRP) in a manufacturing production system. To this end an MRP processor was developed, which uses linked lists and runs in main memory to retain efficiency. The last chapter examines the production control problem, and more specifically the job scheduling problem. In this context, an intelligent scheduling system was designed and developed for flow shop production control which combines knowledge-based technology and simulation with on-line control in order to support the production manager in decision making.