Power converters have evolved from the classical low switching frequency thyristorised converters to the modern high-frequency switched mode converters employing fast power devices such as Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). This evolution has changed the way power is processed in all the four functional areas of power conversion namely, AC-DC, DC-DC, DC-AC and AC-AC. High frequency switching has made it possible to reduce the size of the converters by using smaller energy storage elements. Switched mode conversion applied to AC-AC power conversion results in the use of two approaches: An indirect (two stage) conversion with a rectifier and an inverter with a dc link storage and a direct conversion scheme with a matrix converter. Matrix converter is a potential candidate in certain applications where a compact power converter design is required. Two approaches in topology, namely direct and indirect matrix converters are well reported in the literature. This thesis looks at the analysis, modeling and control of matrix converters from the perspective of converter switching functions. The switching functions as proposed for the line frequency switching rectifiers and cycloconverters is extended to the high frequency switching pulse-width modulated inverters and rectifiers. The matrix converter modulation schemes are analysed and a fresh interpretation in terms of these switching functions is presented in this thesis. The application of the switching function based analysis also yields a better insight into popular space phasor moulation techniques employed in matrix converters such as indirect-space-phasor modulation. The topology of the matrix converter is simple. There are no energy storage elements. However, the control, modulation and protection processes are more complex than other converters. The complexities involved in the control, modulation, commutation and protection of the matrix converter necessitates a much more complex controller capable of carrying out these tasks fast and effectively. In this work, a versatile FPGA based digital controller is designed which is not only capable of carrying out all the modulation, control, commutation and protection requirements of the matrix converter but also, can simulate the converter and the load in real-time. The real-time simulation capabilities of the control and real-time simulation platform are demonstrated with a suitable example of dynamic system. The real-time models of the matrix converter feeding passive load are developed and demonstrated in comparison with offline simulation models. Matrix converters are buck-derived converters and hence the input currents are discontinuous. Hence design of an appropriate filter becomes necessary. Some guidelines are suggested to design an appropriate input filter considering the non-idealities of the source. Finally, hardware designs of suitably rated direct and indirect matrix converters are presented and some representative results are given.

Significant advances in modern ac/ac power converter technologies and demands of industries have reached beyond standard ac/ac power converters with voltage-source inverters fed from diode rectifiers. Power electronics converters have been matured to stages toward compact realization, increased high-power handling capability, and improving utility interface. Modern ac/ac power converter topologies with various control strategies have been introduced for the further improvements, such as matrix converters, current-fed converters, PWM rectifiers, and active power filters. In this dissertation, several new converter topologies are proposed in conjunction with developed control schemes based on the modern ac/ac converters which enhance performance and solve the drawbacks of conventional converters. In this study, a new fault-tolerant PWM strategy is first proposed for matrix converters. The added fault-tolerant scheme would strengthen the matrix converter technology for aerospace and military applications. A modulation strategy is developed to reshape output currents for continuous operation, against fault occurrence in matrix converter drives. This study designs a hybrid, high-performance ac/ac power converter for high power applications, based on a high-power load commutated inverter and a mediumpower voltage source inverter. Natural commutation of the load commutated inverter is actively controlled by the voltage source inverter. In addition, the developed hybrid system ensures sinusoidal output current/voltage waveforms and fast dynamic response in high power areas. A new topology and control scheme for a six-step current source inverter is proposed. The proposed topology utilizes a small voltage source inverter, to turn off main thyristor switches, transfer reactive load energy, and limit peak voltages across loads. The proposed topology maximizes benefits of the constituent converters: highpower handling capability of large thyristor-based current source inverters as well as fast and easy control of small voltage source inverters. This study analyzes, compares, and evaluates two topologies for unity power factor and multiple ac/ac power conversions. Theoretical analyses and comparisons of the two topologies, grounded on mathematical approaches, are presented from the standpoint of converter kVA ratings, dc-link voltage requirements, switch ratings, semiconductor losses, and reactive component sizes. Analysis, simulation, and experimental results are detailed for each proposed topology.

Στην παρουσα διπλωματική εργασιά μοντελοποιήθηκε και εξομοιώθηκε η λειτουργία ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος που αποτελείται από μία τριφασική ασύγχρονη μηχανή και έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος τοπολογίας “Matrix” με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή, χρησιμοποιώντας το περιβάλλον Simulink του λογισμικού Matlab και το πρόγραμμα Vector Fields Opera που χρησιμοποιείται για ανάλυση με μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η διερεύνηση και αξιοποίηση της δυνατότητας «συνεργασίας» μεταξύ των δύο αυτών προγραμμάτων. Συγκεκριμένα εξομοιώθηκε η λειτουργία της ασύγχρονης μηχανής της οποίας το μοντέλο είχε δημιουργηθεί στο περιβάλλον του Opera, κατά την τροφοδοσία της μέσω του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος τύπου “Matrix”, το μοντέλο του οποίου είχε δημιουργηθεί στο Simulink του Matlab. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται τα σημαντικότερα σημεία της τεχνολογίας των τριφασικών ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τοπολογίας “Matrix” και οι βασικές τεχνικές και μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του μετατροπέα προκειμένου να γίνει αντιληπτός ο τρόπος λειτουργίας του, ενώ στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται οι βασικές αρχές λειτουργίας της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Στα κεφάλαια 3 και 4 παρουσιάζονται το μοντέλο της μηχανής και του μετατροπέα, όπως δημιουργήθηκαν στα αντίστοιχα προγράμματα και παρουσιάζεται η εξομοίωση της μεμονωμένης λειτουργίας τους. Συγκεκριμένα στο κεφάλαιο 3, μετά την παρουσίαση του μοντέλου της μηχανής, εξομοιώνεται η λειτουργία της στο πρόγραμμα Opera με ημιτονοειδή τάση τροφοδοσίας και στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η εξομοίωση της λειτουργίας του μετατροπέα με ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται η «σύνδεση» των δύο μοντέλων και εξομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις. Πρώτα για σταθερή σε μέτρο και συχνότητα τάση εξόδου του μετατροπέα με την οποία τροφοδοτείται η ασύγχρονη μηχανή (κινητήρας) της οποίας μεταβάλλουμε το μηχανικό φορτίο και στη συνέχεια για λειτουργία του κινητήρα υπό σταθερό φορτίο και μεταβολή της συχνότητας και του μέτρου της τάσεως εξόδου του μετατροπέα. Τέλος στα κεφάλαια 6 και 7 εξετάζεται η λειτουργία της μηχανής όταν σε αυτήν παρουσιάζεται ένα βραχυκύκλωμα μεταξύ κάποιων σπειρών του τυλίγματος μίας φάσης του στάτη και εξομοιώνεται η λειτουργία της μηχανής με ημιτονοειδή τάση τροφοδοσίας (κεφάλαιο 6) καθώς και όταν τροφοδοτείται μέσω του μετατροπέα, τόσο εν κενώ όσο και με μηχανικό φορτίο (κεφάλαιο 7). / In this degree thesis a model of an electromotion system consisting of an asynchronous machine and a power electronic Matrix topology converter was created and then simulated with the help of an electronic computer, using the software of Matlab Simulink and Vector fields Opera software which makes use of the finite elements method. The main objective of this work was the examination and the utilization of the interaction capability between these two software. Particularly, it is simulated the behavior of the asynchronous machine, the model of which was designed in the Opera environment, fed by the Matrix converter which its model was designed in Simulink. In the first chapter there are presented the most important parts of the three-phase power electronic Matrix topology converter and the basic techniques and methods that are used for the control of the converter in order to understand its function, while in the second chapter the fundamentals of the asynchronous machine are mentioned. In chapters 3 and 4, the models of the asynchronous machine and of the Matrix converter are presented as they were designed in Opera and Simulink and also there are presented the simulations of these two models separately. in addition, in the third chapter, after the presentation of the machine’s model, it’s function is simulated with the use of software Opera for sinusoidal power supply and in chapter 4 it is given a simulation of the function of the Matrix converter for a R-L load. In the fifth chapter we have the “connection” of the two models and the simulation of the function of the “whole” system in two different cases. First the simulation is carried out for a stable in amplitude and frequency output voltage supply of the Matrix converter with which the asynchronous machine (induction motor) is supplied while the mechanical load connected to the motor is modified and secondly it is presented the simulation of the system for a stable, during the simulation time, mechanical load but with modification of the amplitude and frequency of the converter’s output voltage with which the motor is supplied. Concluding, in chapters 6 and 7, the function of the motor is examined in the case that there is a stator inter turn short circuit in a phase winding and in chapter 6 a simulation of the function of the motor with this fault is carried out for sinusoidal supply, while in chapter 7 there are presented simulations of the same model of the motor with the fault, being supplied by the matrix converter in the cases that the motor is rotating with load torque and without any mechanical load.

Since data sizes of analytical applications are continuously growing, many data scientists are switching from customized micro-solutions to scalable alternatives, such as statistical and scientific databases. However, many algorithms in data mining and science are expressed in terms of linear algebra, which is barely supported by major database vendors and big data solutions. On the other side, conventional linear algebra algorithms and legacy matrix representations are often not suitable for very large matrices. We propose a strategy for large matrix processing on modern multicore systems that is based on a novel, adaptive tile matrix representation (AT MATRIX). Our solution utilizes multiple techniques inspired from database technology, such as multidimensional data partitioning, cardinality estimation, indexing, dynamic rewrites, and many more in order to optimize the execution time. Based thereon we present a matrix multiplication operator ATMULT, which outperforms alternative approaches. The aim of our solution is to overcome the burden for data scientists of selecting appropriate algorithms and matrix storage representations. We evaluated AT MATRIX together with ATMULT on several real-world and synthetic random matrices.

La variation de vitesse des machines électriques est une application très porteuse de l’électronique de puissance. La solution de conversion la plus répandue consiste à connecter en cascade deux convertisseurs statiques et d’effectuer une double conversion (AC/DC/AC). Une autre solution, faiblement répandue dans l’industrie, effectue une conversion directe AC/AC. Ce mémoire effectue une synthèse sur les solutions de conversion directe ainsi que sur les stratégies de modulation des convertisseurs matriciels et matriciels « double étage » dans le but de piloter des machines électriques triphasées à partir d’un réseau alternatif triphasé. Cette synthèse a permis de développer une modulation scalaire généralisée, associée à un modulateur par porteuse, équivalente à la modulation vectorielle et applicable aux différents convertisseurs matriciels. Les modulations, à nombre de commutation réduit par période de découpage, ont été approfondies. Cette généralisation a permis de mettre en évidence une solution réduisant les pertes et améliorant le comportement électromagnétique du dispositif comparativement aux modulations traditionnellement utilisées. La présentation des contraintes réelles (commande rapprochée des interrupteurs, Les protections ainsi que le filtrage) est abordée et a été utilisée pour développer une maquette laboratoire. Les stratégies de modulation ont été implantées expérimentalement et valident l’étude théorique. Enfin, un fonctionnement direct à la fréquence réseau, sans modulation donc à faibles pertes, est proposé. Un fonctionnement particulier est introduit, permettant d’effectuer le transitoire du mode modulé classique au fonctionnement direct non modulé / In the power electronics field, the adjustable speed drives is a growing application for electric motors control. The most common conversion solution is to connect in series two static converters and perform a double conversion (AC/DC/AC). Another solution, hardly proposed by industry, uses a direct AC/AC conversion. This thesis aims to make a direct conversion solutions and matrix converters and ‘‘two stage’’ matrix converters modulation strategies synthesis for the purpose to control three-phase electric motor with a three phase input network. This synthesis has developed a generalized scalar modulation, combined with a carrier wave modulator, equivalent to the space vector modulation and applied to matrix converters and the ‘‘two stage’’ matrix converters. Some attention has been done to reduced the switching number during the modulation period. The generalization allows to propose a modified modulation which reduces the losses and improves the electromagnetic performance compared to the traditional modulations used for these kind of converters. The practical constraint (switches control, protection system and filtering) are discussed and has been used to develop a laboratory prototype. The modulations strategies have been implemented experimentally and validate the theoretical study. Finally, a direct function mode with an equal frequency between the input and output network is proposed, without modulation and therefore low losses. In the last part, a particular operation mode is then introduced, permitting the transient operation between the modulated conventional mode to the direct mode without modulation

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.