Kurskatalog Elektroteknisk teori och konstruktion

INNEHÅLLSFÖRTECKNING Kurser på Bachelornivå............................................................................................................... 6 EI1102, Elkretsanalys, 7,5 högskolepoäng. ................................................................................ 7 EI1110, Elkretsanalys, 9 högskolepoäng. ................................................................................... 8 EI1120, Elkretsanalys ,7,5 högskolepoäng ................................................................................. 9 EI1200, Elektromagnetisk fältteori, 7,5 högskolepoäng .......................................................... 10 EI1210, Vågutbredning och antenner, 7,5 högskolepoäng ...................................................... 12 EI1240, Teoretisk elektroteknik F, 9 högskolepoäng ............................................................... 14 EI1260, Teoretisk elektroteknik CL, grundkurs, 6 högskolepoäng ........................................... 16 EI1265, Teoretisk elektroteknik CL, påbyggnadskurs, 3 högskolepoäng ................................. 18 Kurser på Masternivå ............................................................................................................... 19 * EI2400, Tillämpad antennteknik, 7,5 högskolepoäng ........................................................... 20 * EI2402, Electromagnetic compatibility (EMC), 7,5 credits .................................................... 22 * EI2405, Classical Electrodynamics, 7,5 credits ...................................................................... 24 * EI2410, Fältteori för vågledare, 7,5 högskolepoäng ............................................................. 25 * EI2420, Elektormagnetisk vågutbredning, 7.5 högskolepoäng ............................................. 27 * EI2430, Högspänningsteknik, 7,5 högskolepoäng ................................................................. 29 * EI2433, Electrotechnical modeling, 7,5 credits ..................................................................... 31 * EI2440, Electrotechnical design, 7,5 credits .......................................................................... 33 * EI2452, Reliability analysis applied to power system, 7.5 credits ......................................... 35 * EI2455 Smarta elektriska kraftnät och system 7,5 hp ........................................................... 38 EI252X, Examensarbete i Teoretisk elektroteknik ................................................................... 39 EI253X, Examensarbete i Högspänningsteknik ........................................................................ 40 EI254X Master Thesis Degree Course in Electrotechnical modelling....................................... 41 EI255X, Examensarbete i Tillförlitlighetsanalys för elkraftsystem ........................................... 42 Kursöversikt Elektroteknisk teori och konstruktion ................................................................. 43 Anteckningar ............................................................................................................................ 44 * = Valfri kurs Kursansvarig: Kurskod@ets.kth.se

Elektroteknisk teori och konstruktion

Kontaktpersoner Prefekt. Prof. Rajeev Thottappillil, 08 – 790 8057, rajeev.thottappillil@ee.kth.se Studierektor: Professor Martin Norgren, 08 – 790 7410, martin.norgren@ee.kth.se Kursansvarig: Kurskod@ets.kth.se Elektroteknisk teori och konstruktion Teknikringen 33 SE-100 44 Stockholm

www.etk.ee.kth.se Välkommen till Elektroteknisk teori och konstruktion! Avdelningen för Elektroteknisk teori och konstruktion ger ett stort antal kurser i många civilingenjörsprogram och masterprogram på KTH. Avdelningens utbildning innefattar kurser på grundläggande nivå, bland annat kretsteori för E- och ME-programmen samt i elektromagnetisk fältteori för E-, F-, ME- och CL-programmen. I de högre årskurserna erbjuder vi kurser på avancerad nivå för olika kompetensinriktningar, främst Elektroteknik inom E-programmet, på KTH. Dessa kurser, vilka återspeglar bredden på den forskning som bedrivs vid avdelningen, innefattar: elektromagnetisk fältteori, antennteknik, elektroteknisk modellering, elektromagnetisk förenlighet (EMC), elektroteknisk konstruktion, högspänningsteknik och tillförlitlighetsanalys av elkraftsystem. Denna kombination av teknikvetenskaper inom avdelningen gör att vi kan erbjuda morgondagens civilingenjörer kunskaper, som gör det möjligt att angripa framtida utmaningar. Den grundläggande teorin utgör utgångspunkten för modellering, analys och experimentell verifiering av egenskaperna hos elektrotekniska system och komponenter. Utbildningen ger därför också en bra grund att stå på för att senare i livet införskaffa mer eller andra kunskaper. Forskningen vid avdelningen syftar till att utveckla teori, metoder och modeller för konstruktion och användning av elektrotekniska komponenter och system. Den är ofta inspirerad av industriella problem och sker i samverkan med industri, myndigheter och statliga forskningsorganisationer. Forskningen är organiserad i flera övergripande områden, bl.a.:

o antennteori och design, o elektromagnetisk fältteori, o elektromagnetisk kompatibilitet, o elektroteknisk modellering, o isolationsdiagnostik, o komponenter för smarta elkraftsystem, o nya elektromagnetiska metamaterial, o tillförlitlighet i elkraftsystem.

LÄRARE

Hans Edin Tfn: 08 – 790 7639

hans.edin@ee.kth.se

Göran Engdahl Tfn: 08 – 790 7760 goran.engdahl@ee.kth.se

Peter Fuks Tfn: 08 – 790 6460 peter.fuks@ee.kth.se

Sailing He Tfn: 08 – 790 8465 sailing.he@ee.kth.se

Patrik Hilber Tfn: 08 – 790 7772 patrik.hilber@ee.kth.se

Lars Jonsson Tfn: 08 – 790 7732 lars.jonsson@ee.kth.se

Daniel Månsson Tfn: 08 – 790 9044 Daniel.mansson@ee.kth.se

Martin Norgren Tfn: 08 – 790 7410 martin.norgren@ee.kth.se

Rajeev Thottappillil Tfn: 08 – 790 8057 rajeev.thottappillil@ee.

kth.se

Carl Johan Wallnerström Tfn: 08 – 790 6258 carl-johan.wallnerstrom@ee.kth.se

Kurser på Bachelornivå.

EI1102, Elkretsanalys, 7,5 högskolepoäng.

Teslaspole EKG-apparat

Allmänt Kursen Elkretsanalys ger en grundläggande förståelse för elektriska nät byggda av linjära komponenter samt matematiska metoder för analys av sådana nät. Stor vikt läggs vid att utveckla färdigheten att konstruera elektriska modeller av fysikaliska system samt bedöma rimligheten av erhållna resultat. Många exempel som analyseras i kursen är något förenklade verkliga problem vilket illustreras i bilderna ovan. Kunskaperna och beräkningsmetoderna som presenteras i kursen bildar en bas för ett stort antal fördjupningskurser inom elektrotekniken. De belyser också principerna för analys av allmänna linjära fenomen.

Mål Eleven skall efter genomgången kurs kunna: • beskriva passiva och aktiva komponenter, • förklara begreppen i den matematiska modellen som beskriver nätet, • identifiera de vanligaste passiva och aktiva kopplingarna och beskriva deras egenskaper, • tillämpa nodanalys och maskanalys, • använda superposition och tvåpolsekvivalenter,

• känna till grafiska lösnings-metoder för olinjära komponenter • kunna lösa transienta problem vid omkopplingar i nät, • behärska komplexa metoden för stationära i tiden cosinusformade källor, • tillämpa Joules lag och komplex effekt, • välja en lösningsmetod som ger överskådliga beräkningar, • kunna använda simulerings-program.

Förkunskaper Gymnasiematematik och -fysik/teknologi samt kursen i matematik för E1 vid KTH eller motsvarande.

Kurslitteratur Petersson: Elkretsanalys eller Dorf/Svoboda: Introduction to Electric Circuits.

Kursansvarig Nathaniel Taylor, tel 08 - 790 6222 E-post: EI1120@ets.kth.se

EI1110, Elkretsanalys, 9 högskolepoäng.

Teslaspole EKG-apparat

Allmänt Kursen Elkretsanalys ger en grundläggande förståelse för elektriska nät byggda av linjära komponenter samt matematiska metoder för analys av sådana nät. Stor vikt läggs vid att utveckla färdigheten att konstruera elektriska modeller av fysikaliska system samt bedöma rimligheten av erhållna resultat. Många exempel som analyseras i kursen är något förenklade verkliga problem vilket illustreras i bilderna ovan. Kunskaperna och beräkningsmetoderna som presenteras i kursen bildar en bas för ett stort antal fördjupningskurser inom elektrotekniken. De belyser också principerna för analys av allmänna linjära fenomen.

Mål Eleven skall efter genomgången kurs kunna: • beskriva passiva och aktiva komponenter, • förklara begreppen i den matematiska modellen som beskriver nätet, • identifiera de vanligaste passiva och aktiva kopplingarna och beskriva deras egenskaper, • tillämpa nodanalys och maskanalys,

• använda superposition och tvåpolsekvivalenter, • känna till grafiska lösnings-metoder för olinjära komponenter • kunna lösa transienta problem vid omkopplingar i nät, • behärska komplexa metoden för stationära i tiden cosinusformade källor, • tillämpa Joules lag och komplex effekt, • välja en lösningsmetod som ger överskådliga beräkningar, • kunna använda simulerings-program. • lösa och beräkna enklare trefasproblem. • Behandla och beräkna ömsesidig induktans och enklare transformatormodeller.

Förkunskaper Gymnasiematematik och fysik/teknik motsvarande teknik/naturvetenskaplig gymnasieutbildning.

Kurslitteratur Dorf/Svoboda: Introduction to Electric Circuits.

Kursansvarig Andres Alayon Glasunov, tel 08 - 790 8369 E-post: EI1110@ets.kth.se

EI1120, Elkretsanalys ,7,5 högskolepoäng

Allmänt Kursen Elkretsanalys ger en grundläggande förståelse för elektriska nät byggda av linjära komponenter samt matematiska metoder för analys av sådana nät. Stor vikt läggs vid att utveckla färdigheten att konstruera elektriska modeller av fysikaliska system samt bedöma rimligheten av erhållna resultat. Många exempel som analyseras i kursen är något förenklade verkliga problem vilket illustreras i bilderna ovan. Kunskaperna och beräkningsmetoderna som presenteras i kursen bildar en bas för ett stort antal fördjupningskurser inom elektrotekniken. De belyser också principerna för analys av allmänna linjära fenomen.

Mål Eleven skall efter genomgången kurs kunna: • beskriva passiva och aktiva komponenter, • förklara begreppen i den matematiska modellen som beskriver nätet, • identifiera de vanligaste passiva och aktiva kopplingarna och beskriva deras egenskaper, • tillämpa nodanalys och maskanalys,

• använda superposition och tvåpolsekvivalenter, • känna till grafiska lösnings-metoder för olinjära komponenter • kunna lösa transienta problem vid omkopplingar i nät, • behärska komplexa metoden för stationära i tiden cosinusformade källor, • tillämpa Joules lag och komplex effekt, • välja en lösningsmetod som ger överskådliga beräkningar, • kunna använda simulerings-program. • Lösa och undersöka enklare trefas problem.

Förkunskaper Matematikkurserna för Energi & Miljö studenterna vid KTH för år 1 och Hösterminen 2 eller motsvarande. Denna kurs använder den extra matematiken som studenterna har läst i, speciellt, linjär algebra, differentialekvationer och transformationer som Laplace och Fourier.

Kurslitteratur Dorf/Svoboda: Introduction to Electric Circuits.

Kursansvarig Nathaniel Taylor, tel 08 – 790 7732 E-post: EI1120@ets.kth.se

EI1200, Elektromagnetisk fältteori, 7,5 högskolepoäng

Vänster: Elektriska fältlinjerna från en liten laddning belägen i en sektor mellan två plana metallytor som möts i 60 vinkel. Höger: Magnetiska fältlinjerna från en liten magnet belägen i centrum innanför ett supraledande sfäriskt skal.

Allmänt Kursen Elektromagnetisk fältteori ger den grundläggande förståelsen och kunskapen om fysiken samt den matematiska behandlingen i Maxwells teori om elektriska fenomen. Introduktion av fältbegreppet intar en centrall roll och utgör basen för behandling av olika problemställningar. Med utgångspunkt från Coulombs lag beskrivs sambandet mellan laddade partiklar i vila och statiska elektriska fält i vakuum samt hur olika material, som goda ledare och isolatorer, påverkar fältbilden. För laddade partiklar som har konstant hastighet beskriver Biot-Savarts lag sambandet mellan elektriska strömmar och statiska magnetfält. I kursen behandlas både fria strömmar och bundna strömmar i material som källor till magnetfält. Teorin för linjära och olinjära material samt viktiga tekniska tillämpningar belyses. Laddade partiklar med acceleration genererar både elektriska och magnetiska fält. Sambandet mellan dessa fält beskrivs

av Faraday´s lag. Denna koppling mellan elektrostatik och stationär magnetism utgör grunden för elektromagnetisk fältteori i det kvasi-stationära fallet.

Mål • beskriva diskreta och kontinuerliga elektriska och magnetiska källor, • beräkna sambandet mellan elektromagnetiska fält och dess källor, • beräkna kraft och vridmoment, • tillämpa potentialbegreppen, • tillämpa flödesintegraler, • förklara hur olika material påverkar fältbilden, • kunna tillämpa begreppen polarisation och magnetisering, • förklara skillnaden mellan linjära och olinjära material, • använda Gauss´s och Ampéres lagar, • förklara konstituerande relationer, • kunna tillämpa linjära och olinjära modeller, • ange tekniska tillämpningar för olika material, • kunna tillämpa randvillkor vid gränsyta mellan olika material, • använda Poissons och Laplace´s ekvationer, • förklara begreppet spegling vid lösandet av randvärdesproblem,

• använda speglingsmetoder på plana och buktiga ytor, • förklara begreppen resistans, kapacitans, själv- och ömsesidig induktans, • förklara elektromagnetisk induktion och relativitetsbegreppet, • skilja mellan olika energiformer, • beskriva sambanden mellan energi och källor samt mellan energi och fält • beräkna upplagrad energi, • konstruera en matematisk modell från en problembeskrivning, • välja metod för att lösa problem, • identifiera symmetriegenskaper, • använda integralkalkyl vid lösandet av mer komplexa problem, • motivera rimligheten i beräkningsresultat.

Förkunskaper Kunskaper i integralkalkyl, jω-metoden, vektoralgebra (kartesiska- , cylindriska- och sfäriska koordinatsystem, skalär- och kryssprodukt), vektoranalys (gradient, divergens, rotation, Gauss och Stokes vektorsatser) samt kännedom om begreppen kraft, moment, tyngdpunk, arbete, energi och effekt.

Kurslitteratur Cheng, Field and Wave Electromagnetics, 2:a utgåvan, ISBN 0-201-12819-5, Gunnar Petersson, Stationära fenomen Gunnar Petersson, Elektromagnetism

Kursansvarig Lars Jonsson, tel 08 - 790 7732 E-post: EI1200@ets.kth.se

Påbyggnadskurs EI1210 Vågutbredning och antenner

EI1210, Vågutbredning och antenner, 7,5 högskolepoäng

Vänster: Styrkan på elektriska fältet hos en plan våg som faller in mot ett ledande område. Vågen reflekteras, transmitteras och absorberas. Höger: Elektriska fältlinjerna från en kort dipolantenn

Allmänt Kursen Vågutbredning och antenner ska ge grundläggande förståelse och kunskaper om vågutbredningsfenomen i allmänhet med inriktning mot elektromagnetiska vågors utbredning och egenskaper längs ledningar, vågledare och fri rymd samt antennen som kopplingselement vid energiöverföring mellan ledning/vågledare och utstrålad energi i fri rymd. Förståelse för energiöverföring som ett vågutbredningsfenomen utgör grunden för att kunna behandla problem-ställningar inom tillämpningsområden som: telekommunikation, antennkonstruktion, störnings- och skärmningsproblematik etc.

Mål • beskriva olika vågfenomen, • använda Maxwells ekvationer, • kunna tillämpa vågekvationen, • förklara begreppet retardation, • analysera upplagrad energi samt energitransporten i elektromagnetiska fält,

• beräkna strömmar och spänningar längs en transmissionsledning, • analysera vågutbredning i en rektangulär vågledare, • förklara begreppen plan våg och polarisation, • beräkna plana vågors utbredning i isotropa medier, med och utan förluster, • beräkna elektromagnetiska fält vid reflektion och transmission vid gränsytor, • analysera brytning och interferens av vågor, • använda retarderade potentialer, • förklara elementardipolen som generiskt antennelement, • identifiera relevanta approximationer för strålningsfält, • skilja mellan närfälts- och fjärrfältsegenskaper, • beräkna strålningsfält från raka trådantenner med givna strömfördelningar, • beräkna strålningsfält från gruppantenner utan koppling mellan elementen, • förklara begreppen strålningsdiagram och strålningsresistans, • beskriva begreppen direktivitet, antennförstärkning och lobbredd,

• använda Friis modell för räckviddsberäkningar, • relatera Maxwells ekvationer till kvasi-stationära fenomen.

Förkunskaper Kunskaper motsvarande kursen Elektromagnetisk fältteori (EI1200).

Kurslitteratur Cheng, Field and Wave Electromagnetics, 2:a utgåvan, ISBN 0-201-12819-5 Gunnar Petersson, Elektromagnetism

Kursansvarig Lars Jonsson, tel 08 - 790 7732 E-post: EI1210@ets.kth.se

Påbyggnadskurser EI2400 Tillämpad antennteknik EI2405 Elektromagnetisk fältteori, fk EI2410 Fältteori för vågledare EI2420 Elektromagnetisk vågutbredning

EI1240, Teoretisk elektroteknik F, 9 högskolepoäng

Vänster: Elektriska fältlinjerna från en liten laddning belägen i en sektor mellan två plana metallytor som möts i 60 vinkel. Höger: Magnetiska fältlinjerna från en liten magnet belägen i centrum innanför ett supraledande sfäriskt skal.

Vänster: Styrkan på elektriska fältet hos en plan våg som faller in mot ett ledande område. Vågen reflekteras, transmitteras och absorberas. Höger: Elektriska fältlinjerna från en kort dipolantenn.

Allmänt Kursen ger en introduktion till Maxwells teori för elektriska och magnetiska fält samt några av dess tillämpningar.

Kursinnehåll Del 1: Statiska elektriska och magnetiska fält: Elektriska storheter och begrepp. Coulombs lag och Gauss lag. Elektriska dipoler. Fältstyrkeberäkningar. Dielektriska egenskaper hos material. Energi och kraftverkan i elektriska system. Speciella egenskaper hos ledare. Randvärdesproblem. Definition av

magnetiska storheter. Biot-Savarts och Ampères lagar. Magnetiska fält i magnetiska material. Del 2: Dynamiska fält: Elektromagnetisk induktion. Magnetisk energi och kraftverkan. Induktanser. Maxwells ekvationer. Konserveringslagar för energi och rörelsemängd. Komplex representation av elektromagnetiska fältstorheter. Plana vågor: utbredning, reflektion och polarisation. Rektangulära vågledare. Strålning från rörliga laddningar och enkla antenner. Transformation av elektriska och magnetiska fält mellan system med likformig rörelse.

Mål Teknologerna skall efter kursen kunna göra beräkningsmodeller för enkla elektro-magnetiska fältproblem; välja lämplig beräkningsmetod; göra symmetribetraktelser; göra vederbörliga approximationer; göra rimlighetsbedömningar av resultaten. Mer konkret skall de kunna • definiera elektriska och magnetiska fält utifrån deras kraftverkan, • förklara fysikaliska innebörderna hos ekvationerna för elektrostatiska fält, • förklara fysikaliska innebörderna hos ekvationerna för magnetostatiska fält, • beräkna elektriska fält från stationära laddningsfördelningar, • beräkna magnetiska fält från stationära strömfördelningar, • lösa enkla elektrostatiska randvärdesproblem, • beskriva enkla modeller för fältens växelverkan med material, • redogöra för begreppet elektromotorisk kraft, • skriva upp Maxwells ekvationer och förklara deras fysikaliska innebörd, • analysera hur energi och rörelsemängd lagras och transporteras i ett elektromagnetiskt fält, • analysera utbredning, reflexion och transmission hos plana vågor, • analysera utbredning i rektangulära vågledare, • förklara begreppet retardation, • tillämpa Maxwells ekvationer för att analysera hur elektromagnetiska fält alstras från dynamiska laddning/strömfördelningar, • beräkna fälten från enkla typer av antenner och antennsystem.

Förkunskaper Differential- och integralkalkyl i en samt flera variabler, samt vektoranalys, motsvarande matematikkurserna på

civilingenjörs-programmet Teknisk fysik på KTH.

Kursuppläggning Föreläsningar 51h. Övningar 50h

Kurslitteratur D. J. Griffiths, Introduction to Electro-dynamics, 3:e utgåvan, ISBN 0-13-805326-X, G. Petersson, Stationära fenomen G. Petersson, Elektromagnetism

Kursfordringar Fyra kontrollskrivningar (KON1; 1,5 hp), (KON2; 1,5 hp), (KON3; 1,5 hp), (KON4; 1,5 hp). Två skriftliga tentamina (TENA; 1,5 hp), (TENB; 1,5 hp)

Kursansvarig Martin Norgren, tel 08 - 790 7410 E-post: EI1240@ets.kth.se

Påbyggnadskurser EI2400 Tillämpad antennteknik EI2405 Elektromagnetisk fältteori, fk EI2410 Fältteori för vågledare EI2420 Elektromagnetisk vågutbredning

EI1260, Teoretisk elektroteknik CL, grundkurs, 6 högskolepoäng

Vänster: Magnetiska fältlinjerna från en magnet belägen i centrum innanför ett supraledande sfäriskt skal. Höger: Styrkan på elektriska fältet hos en plan våg som faller in mot ett ledande område. Vågen reflekteras, transmitteras och absorberas.

Allmänt Kursen ger en introduktion till Maxwells teori för elektriska och magnetiska fält.

Kursinnehåll Elektriska storheter och begrepp. Coulombs lag. Elektriska dipoler. Dielektriska egenskaper hos material. Energi och kraftverkan i elektriska system. Magnetiska storheter. Biot-Savarts och Ampères lagar. Magnetiska fält i material. Induktionslagen. Magnetisk energi och kraftverkan. Induktanser. Maxwells ekvationer. Komplex representation av fältstorheter. Plana vågor: utbredning, reflektion och polarisation.

Mål Teknologerna skall efter kursen kunna göra beräkningsmodeller för enkla elektro-magnetiska fältproblem; välja lämplig beräkningsmetod; göra symmetribetraktelser; göra vederbörliga approximationer; göra rimlighetsbedömningar av resultaten. Mer konkret skall de kunna • definiera elektriska och magnetiska fält utifrån deras kraftverkan,

• förklara fysikaliska innebörderna hos ekvationerna för elektrostatiska fält, • förklara fysikaliska innebörderna hos ekvationerna för magnetostatiska fält, • beräkna elektriska fält från stationära laddningsfördelningar, • beräkna magnetiska fält från stationära strömfördelningar, • beskriva enkla modeller för fältens växelverkan med material, • redogöra för elektromotorisk kraft, • skriva upp Maxwells ekvationer och förklara deras fysikaliska innebörd, • analysera hur energi transporteras och lagras i ett elektromagnetiskt fält, • analysera utbredning, reflexion och transmission hos plana vågor.

Förkunskaper Differential- och integralkalkyl i en samt flera variabler, samt vektoranalys, motsvarande kurserna på civilingenjörs-programmet Civilingenjör & lärare på KTH.

Kursuppläggning Föreläsningar 37h. Övningar 36 h

Kurslitteratur D. J. Griffiths, Introduction to Electro-dynamics, 3:e utgåvan, ISBN 0-13-805326-X G. Petersson, Stationära fenomen G. Petersson, Elektromagnetism

Kursfordringar Inlämningsuppgifter (INL1; 6 hp).

Kursansvarig Martin Norgren, tel 08 - 790 7410 E-post: EI1260@ets.kth.se

Påbyggnadskurser EI1265 Teoretisk elektroteknik CL, påbyggnadskurs.

EI1265, Teoretisk elektroteknik CL, påbyggnadskurs, 3 högskolepoäng

Vänster: Elektriska fältlinjerna från en liten laddning belägen i en sektor mellan två plana metallytor som möts i 60 vinkel. Höger: Elektriska fältlinjerna från en kort elektrisk dipolantenn.

Allmänt Kursen utgör en påbyggnad till EI1260 Teoretisk elektroteknik CL, grundkurs. Kursinnehåll Randvärdesproblem. Konserveringslagar. Strålning från rörliga laddningar och enkla antenner. Transformation av elektriska och magnetiska fält mellan system med likformig rörelse.

Mål Utöver kunskaperna inhämtade från EI1260 Teoretisk elektroteknik CL, gk, skall teknologerna efter kursen kunna • lösa enkla elektrostatiska randvärdesproblem, • analysera hur rörelsemängd lagras och transporteras i ett elektromagnetiskt fält, • analysera utbredning i rektangulära vågledare, • förklara begreppet retardation, • tillämpa Maxwells ekvationer för att analysera hur elektromagnetiska fält alstras från dynamiska laddning/strömfördelningar, • beräkna fälten från enkla typer av antenner och antennsystem.

Förkunskaper EI1260 Teoretisk elektroteknik CL, grundkurs

Kursuppläggning Föreläsningar 14h. Övningar 14h

Kurslitteratur D. J. Griffiths, Introduction to Electro-dynamics, 3:e utgåvan, ISBN 0-13-805326-X G. Petersson, Stationära fenomen G. Petersson, Elektromagnetism

Kursfordringar Två skriftliga tentamina (TENA; 1,5 hp), (TENB; 1,5 hp)

Kursansvarig Martin Norgren, tel 08 - 790 7410 E-post: EI1265@ets.kth.se

Påbyggnadskurser EI2400 Tillämpad antennteknik EI2405 Elektromagnetisk fältteori, fk EI2410 Fältteori för vågledare EI2420 Elektromagnetisk vågutbredning.

Kurser på Masternivå

* EI2400, Tillämpad antennteknik, 7,5 högskolepoäng

Kursen i tillämpad antennteori behandlar både klassiska och moderna antenner. Basen är Maxwells ekvationer, men till största delen diskuterar vi tekniska realiseringar hos olika slags antenner.

Allmänt Denna kurs utgör en introduktion till några av de viktigaste egenskaperna hos ett antal antennkonstruktioner, som exempel kan nämnas trådantenner, aperturantenner, mikrostripantenner, frekvensoberoende antenner och elektrisk små antenner. Vidare behandlas teorin för gruppantenner med och utan koppling samt olika metoder för att realisera önskvärda egenskaper hos ett antennsystem. Kursen har ett stort inslag av praktiska moment, att utifrån en kravspecifikation välja antennsystem, beräkna, konstruera, och att verifiera genom mätningar att kravspecifikationen uppfylls. Kursen innehåller ett antal laborationer som skall ge förtrogenhet med instrument och mätförfarande som är aktuella vid antennmätningar. Vidare ingår en översikt över egenskaper för olika media som den elektromagnetiska vågen utbreder sig i,

samt hur antennen, sedd som en komponent i ett system, bestämmer systemets allmänna prestanda med avseende på känslighet både vad avser mottagning av koherenta signaler som signaler med bruskaraktär.

Mål • identifiera ett antennelements egenskaper, • förklara fysiken och teorin för tråd-, patch- och aperturantenner, • förklara funktionen av en gruppantenn, • förklara vilka faktorer som sätter gränser för ett antennsystems prestanda, • identifiera olika matningsnät, • beräkna en gruppantenn med hänsyn till kopplingen mellan antennelementen, • konstruera en fasstyrd gruppantenn, • beräkna en patchantenn, • konstruera en patchantenn, • använda numeriska antennberäkningsprogram, • ange egenskaper hos flerfrekvens- och bredbandsantenner,

• ange egenskaper hos horn- och reflektorantenner, • förklara inverkan av brus och vågutbrednings-förhållanden på olika kommunikationssystem, • utföra mätningar av antennparametrar, • utföra när- och fjärrfältsmätningar, • tillgodogöra sig teknisk facklitteratur inom antennområdet.

Förkunskaper Kunskaper motsvarande kurserna Elektromagnetisk fältteori (EI1200) samt Vågutbredning och antenner (EI1210) bör vara väl inhämtade. En genomgången kurs i Fysikens matematiska metoder ger en solidare grund inför en del teoretiska diskussioner. En viss kunskap om hur man använder Matlab (eller motsvarande) krävs för genomförandet av projektuppgifterna.

Kurslitteratur C. A. Balanis: Antenna Theory. Analysis and design. 3:e utgåvan, ISBN: 0-471-66782-X

Kursfordringar Laborationerna är obligatoriska. Projekten skall redovisas skriftligt i form av en rapport. Projekten kompletteras med en tentamen, som kan vara muntlig.

Kursansvarig är Martin Norgren men kursen ges av ett flertal föreläsare med stor kompetens och långvarig verksamhet inom antennteori och antennkonstruktion, med bakgrund från både civila- och militära tillämpningar. Martin Norgren, tel 08 - 790 7410 E-post: EI2400@ets.kth.se

Påbyggnadskurser EI2405 Elektromagnetisk fältteori, fk EI2410 Fältteori för vågledare EI2420 Elektromagnetisk vågutbredning EI252X Examensarbete i Teoretisk elektroteknik

* EI2402, Electromagnetic compatibility (EMC), 7,5 credits

Electromagnetic compatibility is a subject that encompasses all other electro-physical and electrotechnical areas. To estimate and protect against electromagnetic disturbances knowledge ranging from theoretical electromagnetism and numerical simulations to semiconductor physics and power electronics have to be applied.

General Electromagnetic compatibility is a state in which electrotechnical systems are in harmony with its electromagnetic environment. I.e. they do not, in its immediate vicinity, disturb other systems or is disturbed by other systems. The course offers an introduction to the fundamentals of EMC and electromagnetic interference (EMI). The history, basic concepts, problems and solutions to EMI problems will be handled. It is necessary knowledge for students interested in how to properly design high speed analog and digital systems or how to protect systems from electromagnetic disturbances. The course content is as follows: • Conducted emission. • Radiation from wires and apertures. • Cross-talk between transmission lines. • Shielding of electric and magnetic fields. • Frequency behavior of passive components, • Grounding. • EMC regulations and measurements.

Goal The course provides basic understanding of how electromagnetic disturbances appear in and influence electromagnetic components and systems. Moreover, the participant acquires knowledge about methods and strategies to reduce the influence of disturbances. After completing the course the student shall be able to: • Identify EMI sources; natural and man-made, • Understand coupling mechanisms of EMI signals, • Calculate cross-talk between transmission lines and radiation from wires and apertures, • Explain frequency behavior of passive components leading to non-ideal behavior, • Apply EMI reduction techniques, filters, shielding and grounding, • Perform EMI measurements and EMC testing, • Have knowledge of EMC standards and regulations.

Prerequisites Introductory course in classical electromagnetic field theory like EI1200 and EI1210 (or equivalent).

Course responsible Daniel Månsson, phone: 08 - 790 9044, E-mail: EI2402@ets.kth.se

Teachers Daniel Månsson, Rajeev Thottappillil 08 – 790 8057 Martin Norgren, 08 - 790 7410,

Course requirements Laboratory assignments (LAB1; 3,5 cr.) Written exam (TEN1; 4 cr.)

Course Material Course compendium. (Optional material; Paul: Introduction to Electromagnetic Compatibility).

* EI2405, Classical Electrodynamics, 7,5 credits

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( )

10

2 3

01 1

0

1 14 Y , Y ,2 1

3 d

, J J d2

ll

lm lmll m l

ij i j ij

k z

rl r

Q x x r x

IaA z ka k e kφ

π θ φ θ φ

r

mr r

∞∗<

+= =− >

∞−

′ ′=′− +

= − d

=

∑∑

∫

∫

x x

x

Green function expanded in spherical harmonics, the quadrupole moment tensor, the vector potential from a current loop.

( )

0 0 00

0, : 0

4, :

d: d

Gt

F Jt c

p qq F Uc

αβα

αβ βα

ααβ

β

r πm m εε

t

∂∇ ⋅ = ∇× = − ∂ =

∂∂

∇ ⋅ = ∇× = ∂ =∂

= + × =

BB E

EE B J +

F E v B

Maxwell’s equations and the Lorentz force in standard form (left) and in covariant form, using the field tensor (right)

Course main content Mathematical methods for electro- and magnetostatic sources and boundary value problems. Electromagnetic fields from time dependent source distributions. Interaction between fields and media. Special theory of relativity in electromagnetics.

Learning outcomes After completion of the course the student shall be able to • explain Green's theorem; describe Green functions to Poisson's equation • expand Green functions in orthogonal bases to solve electrostatic and magnetostatic boundary value problems • do multipole expansions of electrostatic and magnetostatic fields • elaborate on the physical implications of Maxwell’s equations • describe Green functions to the wave equation • calculate the retarded fields from continuous sources and point charges • explain and use conservation laws for energy, momentum and angular momentum • analyze propagation, reflection and transmission of plane waves • describe the covariant form of Maxwell’s equations and apply the Lorentz

transformation to 4-vectors and the field tensor

Course disposition Lessons and problem solving activity.

Eligibility The courses EI1200 Electromagnetic Field Theory and EI1210 Wave Propagation & Antennas, or the course EI1240 Electromagnetic Theory or equivalent knowledge of Eng B or equivalent. "

Course literature Jackson J. D. Classical Electrodynamics, 3rd ed., Wiley, 1999. ISBN 0-471-30932-X

Requirements for final grade Required score from problem solving activity and written exam.

Course responsible Martin Norgren, tel 08-790 7410 E-post: martin.norgren@ee.kth.se

Påbyggnadskurser This course is a prerequisite for several courses within the masterprogram Electrophysics, like e.g. EI2400 Antenna Theory, EI2410 Field Theory for Guided Waves and EI2420 Electromagnetic Wave Propagation

* EI2410, Fältteori för vågledare, 7,5 högskolepoäng

Vänster: Bredbandigt vågledarhorn (> oktav) för X-(8-12 GHz) och Ku-(12-18 GHz)banden. Höger: Vågledarnät (uppskuret) för matning av antennsystem på millimetervågsfrekvenser (ca 77 GHz) innehållande bl.a. några grenledningskopplare (branch line couplers)

Vänster: Styrkan på elektriska fältet i en övergång mellan två rektangulära vågledare av metall. En propagerande TE1,0-mod faller in från den smalare vågledaren och övergår i två propagerande moder, TE1,0 & TE2,0, i den bredare vågledaren. Höger: Styrkan på elektriska fältet hos TE1-moden i ett längsgående tvärsnitt av en optisk fiber. Fältet finns övervägande inom kärnan (avgränsad med vita streck), som har en högre permittivitet än den omgivande manteln.

Allmänt Elektromagnetiska fält ledda längs med olika strukturer utnyttjas inom ett flertal tillämpnings-områden. En allmän benämning på sådana strukturer är vågledare. Några exempel: kablar för elektrisk energiöverföring; transmissions-ledningar för informationsöverföring mellan elektrisk/elektronisk apparatur samt mellan elektroniska komponenter på kretskort; metalliska hålrumsvågledare för överföring av höga effekter i antennsystem för radar och telekommunikation; hålrumsresonatorer som smalbandiga filter; optiska fibrer för höghastighets kommunikation.

Mål Kursen ger kunskaper om och färdigheter i att analysera vågledare, vad gäller bl.a.

vågutbredning; dispersion; energitransport; förluster; spridning. Efter fullgjord kurs skall deltagaren kunna • förklara begreppen reciprocitet och passivitet för ett material, • använda sönderläggningstekniken på fälten och Maxwells ekvationer i ett isotropt material, • förklara begreppet vågledarmod och analysera TM-, TE- & TEM-moder i metalliska hålrumsvågledare, • förklara skillnaden mellan propagerande och icke-propagerande moder, • beskriva modlösningarna för hålrumsvågledare med rektangulärt respektive cirkulärt tvärsnitt, • använda FEM för att analysera hålrumsvågledare med godtyckligt tvärsnitt,

• förklara begreppet modortogonalitet och tillämpa detta vid analys av energitransport i en hålrumsvågledare • förklara sambandet och skillnaden mellan fashastigheten och grupp-hastigheten för en vågledarmod, • förklara begreppen kromatisk dispersion, flermodsdispersion och materialdispersion, • beräkna de exciterade moderna från en strömkälla inuti en vågledare, • använda modanpassningsmetoden för att beräkna hur moderna sprids vid en diskontinuitet i vågledarens tvärsnitt, • använda energikonserveringsmetoden för att beräkna dämpningen av icke-degenererade moder. • använda störningsmetoden för att beräkna kopplingen mellan och dämpningen av degenererade moder • analysera resonanskaviteter av typen kortsluten hålrumsvågledare • beskriva resonansmoder och deras ortogonalitetssamband • analysera förluster i resonatorer • förklara begreppet godhetstal och dess samband till bandbredden • använda metoder som konform avbildning och FEM för att bestämma ledningsparametrarna för ett flerledarsystem – multitransmissionsledning • analysera kvasiTEM-moderna i en multitransmissionsledning: utbredning; modortogonalitet; effekttransport • bestämma spridningsmatriserna för sammankopplade multitransmissionsledningar • beskriva principen för elektromagnetiska vågor bundna till ett dielektriskt skikt • analysera TM- och TE-moder i plana dielektriska vågledare • analysera TM-, TE-, EH- & HE-moder i cirkulära dielektriska vågledare – optiska fibrer

Kursuppläggning Lektionsundervisning (50h), härledningar av teorin varvas med övningsexempel. Deltagarna får på egen hand tillämpa teorin medelst ett antal projektuppgifter, vilka utgör en del av examinationen. 8h av salstiden är avsatt till projekthandledning.

Studiebesök Vi försöker ordna studiebesök på ett företag vars verksamhet kräver elektromagnetiska kunskaper med inriktning mot vågledare.

Förkunskaper Grundläggande kunskaper i teoretisk elektroteknik, motsvarande kurserna EI1200 Elektromagnetisk fältteori och EI1210 Vågutbredning & antenner, eller kursen EI1240 Teoretisk elektroteknik F. Väl inhämtade grundkunskaper i matematik. SI1141 Fysikens matematiska metoder och SF1628 Komplex analys rekommenderas. Viss kännedom om numeriska program-varor, som Matlab eller Maple.

Kurslitteratur M. Norgren, Field Theory for Guided Waves, IR-EE-ETK 2008:010 (kurskompendium)

Kursfordringar Projektuppgifter och tentamen.

Kursansvarig Martin Norgren, tel 08-790 7410 E-post: EI2410@ets.kth.se

Påbyggnadskurser EI2400 Tillämpad antennteknik EI2405 Elektromagnetisk fältteori, fk EI2420 Elektromagnetisk vågutbredning EI1252X Examensarbete i Teoretisk elektroteknik

* EI2420, Elektormagnetisk vågutbredning, 7.5 högskolepoäng

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

5

10

15

Figur 1: Realdelen av klotytefunktionen plottat som, 2

9,2ˆ1 Re( ( , ))r Xϕ ϑ ϕ= + ⋅

Figur 2: Normaliserat spridningstvärsnitt från skiktad sfär med radier a,b a<b, som funktion av ka (radie a, vågvektor k) jämfört med spridning från sfär med radie a resp. b.

Allmänt Detta är en kurs i elektormagnetisk spridningsteori och vågutbredning. Vi betraktar hur fältet utbreder sig i följande situationer: spridning mot olika geometrier, fältet från några antenner och hur detta fält påverkas av omgivningens geometri (t.ex. markreflektioner, eller närvaron av en reflektor). För att kunna lösa de problem av den typ som beskrivits ovan formulerar vi om Maxwells ekvationer till en integral-ekvationsframställning med hjälp av Greenfunktioner. (Detta är ett special fall av en Green-dyad). Givet denna formulering beräknar vi (genom en laboration) fältet från en antenn med enkel geometri) samt fältet från en antenn med reflektor. När geometrin är enkel, kan Greenfunktioner och fält sönderläggas i vektorklotyte-funktioner. Fälten uttryckta i sådana funktioner gör det enkelt att beräkna spridning mot fält av sfärisk geometri. Vi beräknar några exempel.

Ytterligare ett specialfall är fält som uttrycks i Hankel transformer. Här kommer vi också in på approximationsmetoder för integraler med oscillerande kärna. Klotytefunktioner och integralekvationer utgör två nödvändiga element för nollfältsmetoden. Detta är en mer allmän metod för att beräkna fält från spridare som är stjärnformade. Vi härleder denna metod.

Mål Efter fullgjord kurs ska teknologen kunna: • Använda Greensfunktioner till integral-framställningar av elektromagnetiskt fält i externa och interna områden. • Förklara uppskattningar och approximationer vid användande av integral framställningar av elektromagnetiska fält. • Välja metod för att lösa integral-ekvationer för några typfall. • Använda ekvivalensprincipen för strömmar för representation av elektro-magnetiska fält.

• Konstruera och motivera approximationerna för en reflektorantenn. • Beräkna strömfördelning, spridning och/eller reflektion samt transmission för tre typfall: trådantenn, skiktad sfär och reflektorantenn. • Framställa det utstrålade fältet med vektor klotytefunktionerna. • Beräkna spridningstvärsnittet. • Lösa problem med nollfältsmetoden och känna till och använda egenskaper hos T-matrisen. • Känna till skillnader och likheter mellan behandling av tidsharmoniska och transienta förlopp.

Kursinnehåll Kursen behandlar metoder för att beskriva, beräkna och uppskatta strålande och spridda elektromagnetiska fält. Tyngdpunkten ligger på att analytiskt betrakta spridda och strålande fält. Några av dessa analytiska metoder exemplifieras med numeriska beräkningar i tre laborationer. Vi härleder också ett antal approximativa uttryck för fält från olika typer av källor och geometrier. Kursen kräver god analytisk förmåga, och att både den grundläggande och utvidgade matematiken bör vara väl tillgodogjord. Vi nyttjar bl.a. komplex integration, grensnitt, integralekvationer, separation av variabler, Besselfunktioner, integralkalkyl, Greenfunktioner, konvergens och fullständiga icke-orthogonala baser. Ovanstående begrepp används som verktyg i vår verktygslåda för att beskriva fält i olika situationer.

Förkunskaper Kunskaper motsvarande kurserna Elektromagnetisk fältteori (EI1200), Vågutbredning och antenner (EI1210), Komplex analys (SF1628), Fysikens

matematiska metoder (SI1141), Fältteori för vågledare EI2410.

Kurslitteratur S. Ström o L. Jonsson, Electromagnetic wave propagation (studentexpeditionen).

Kursansvariga Lars Jonsson, tel 08 - 790 7732 E-post: EI2420@ets.kth.se

Kursfordringar Tre projekt (laborationer). Projekten skall redovisas skriftligt i form av en rapport. Projekten kompletteras med eventuell tentamen, som kan vara muntlig.

Påbyggnadskurser EI2400 Tillämpad antennteknik EI2405 Elektromagnetisk fältteori, fk EI2410 Fältteori för vågledare EI252X Examensarbete i Teoretisk elektroteknik

* EI2430, Högspänningsteknik, 7,5 högskolepoäng

Kursen i högspänningsteknik är spännande.

Allmänt Högspänd elektricitet används i en mängd olika sammanhang, men framförallt vid generering och överföring av stora mängder elektrisk energi. Kursen behandlar experimentell och teoretisk högspänningsteknik. I första hand avser kursen att behandla de väsentliga kunskaperna som krävs vid utveckling, framtagning och forskning kring nya produkter. Kursen börjar med olika sätt att åstadkomma höga spänningar för växel-, lik- och stötspänning på upp till flera miljoner volt. Därefter behandlas mätning av dessa höga spänningar med framförallt olika typer av spänningsdelare. Den elektriska isolationens egenskaper och kvalitéer är väsentliga för högspännings-komponenter. De olika fenomen som kan leda till elektriskt sammanbrott och genomslag i gaser, vätskor och fasta isolationsmaterial behandlas ingående. Kursens sista del behandlar olika teorier och mättekniker kring diagnostik av elektriska isolationssystem som kan användas för tillstånds- och tillförlitlighetsbedömning.

Mål Efter genomgången kurs ska man kunna:

• beskriva principen för olika sätt att generera högspänning i form av DC- , AC- eller stöt, • ställa upp beräkningsmodeller för de olika högspänningsgeneratorerna som tillåter beräkning av spänningar och strömmar över respektive i de olika delkomponenterna beroende på yttre belastningsalternativ, • analysera olika spänningsdelare avseende deras bandbredd, stigtid samt kunna föreslå lämplig design av spänningsdelare beroende på bandbredd hos den högspänning som ska mätas, • beräkna hållfastheten hos gasfyllda isolersystem där geometrierna är enkla, • approximativt bedöma hållfastheten för vätskor kontaminerade med partiklar, redogöra för principerna för mätning av kapacitans och dielektriska förluster, • uttala sig om karaktären av åldring i elektrisk isolation utifrån dispersionskurvor för den komplexa permittiviteten, • beräkna komplexa permittiviten för ett dielektriskt material utifrån dess dielektriska responsfunktion och vice versa, • redogöra för principerna för mätning av partiella urladdningar, • beräkna fasupplösta PD-mönster med hjälp av förenklade modeller.

Kursinnehåll Kursen innehåller de grundläggande teorierna och de väsentliga experimentella metoderna som används vid produkt- och metodutveckling samt forskning inom högspänningsområdet. Genereringsprinciper för höga lik-, växel och stötspänningar. Cockroft-Walton kaskadlikriktare, transformatorer, resonanskretsar, Marx stötspännings-generator samt modeller för dessa. Spänningsdelare och deras förmåga att mäta högspänning med olika bandbredd eller stigtider. Modeller som förutsäger gasers, vätskor och fasta isolationsmaterials elektriska hållfasthet. Paschens semiempiriska lag. Genomslag initierat av partiklar i vätskor. Termiskt genomslag. Dispersiva dielektriska material. Komplex permittivitet, dielektrisk respons funktion, Debye-respons, Havriliak-Negami respons, lågfrekvens-dispersion, konduktivitet, Kramers-Kronig relationer. Mättekniker för isolationsdiagnostik: dielektrisk spektroskopi, upp- och urladdningsströmmar, återvändande spänning, mätning av partiella urladdningar. Modeller för åldrad elektrisk isolation, PD-modeller. Två projektuppgifter ingår som behandlar mätning av höga spänningar och diagnostik av elektrisk isolation. Tre laborationer som behandlar experimentell högspänningsmätteknik ingår, dessutom förekommer laborativa moment i anslutning till projekt-uppgifterna. Tre (icke-obligatoriska) inlämningsuppgifter behandlar de teoretiska delarna. Normalt erbjuds två studiebesök till högspänningsrelaterad industri. Kursen avslutas med skriftlig tentamen.

Förkunskaper Enbart obligatoriska kurser. En viss kunskap om hur man använder Matlab krävs för genomförandet av projektuppgifterna. Även viss erfarenhet av fältberäkningsprogrammet Comsol Multiphysics är bra att ha. Kurserna EI2440 Elektroteknisk konstruktion och EI2333 Elektroteknisk modellering förbereder och kompletter denna kurs.

Kurslitteratur E Kuffel, W S Zaengl, J. Kuffel: High-voltage engineering: fundamentals. Kurspärm innehållande: artiklar, hem-uppgifter, laborationsinstruktioner, projektuppgifter och föreläsnings anteckningar.

Kursfordringar Godkända projektuppgifter och laborationer (LAB1; 3,8p). Skriftlig tentamina (TENA; 3,7p). Hemuppgifter är frivilliga men ger bonuspoäng till tentamen.

Kursansvarig Hans Edin, tel 08 - 790 7639 E-post: EI2430@ets.kth.se

* EI2433, Electrotechnical modeling, 7,5 credits

Theory + Knowledge

New and improved components

& systems

Ideas+Demands+Materials

Model/ Tool

High Voltage Eng.

Micro wave tech. Magnetic

devices

Cars Fusions research

Cauer- modelling

Demands

General At first a number of electrotechnical problems are presented within the areas electrical engineering, antenna technology and plasma physics, where modelling is an important aid in design and problem understanding. The course further explains what a model is and gives an overview of different kind of models. Basic modelling techniques are described. The main part of the course is devoted to a number of project tasks that has to be handed in. To each task lectures will be given that treat the problem and review the underlying theory that is required for its solution. The task implies that one formulates the problem and develops a model that can be used to solve the problem. The model can e. g. be a mathematical description and the set up equations can be solved analytically or numerically.

The model can also be an equivalent circuit by which the problem can be analysed. The project tasks among others comprise electrical and magnetic field problems, medical applications, electromechanical systems, multi-physical systems, plasma in space and in technical applications.

Goal The overall goal of the course is to:

• create understanding of physical phenomena,

• create familiarity and render practical experience in developing models based on theory that can be used to solve electrotechnical design problems,

After completion of the course the student is able to:

• describe basic modelling approaches applicable within electrotechnology,

• explain and apply the principles of aggregated modelling and the fine element method within eletrotechnology

• use the theory of electromagnetic fields and plasma in models of electotechnical equipment

• by use of electrotechnical models foresee the function of electrotechnical equipment

• by use of electrotechnical models analyse the properties of electrotechnical apparatus,

• assess the applicability of a given electrotechnical model.

Prerequisites Basic knowledge in mathematics, physics and electrotechnology corresponding to year 1-3 in the programme Electrical Engineering.

Course literature Compendium, Electrotechnical modelling IR-EE_ETK 2008:005 and instructions for the project tasks.

Course responsible Göran Engdahl, tel 08 - 790 7760 E-mail: EI2433@ets.kth.se

Supplementary courses Courses, where knowledge in electrotechnical modelling are useful are e. g. EF2200 Plasma Physics EI2400 Applied Antenna Theory EI2440 Electrotechnical Design EI2430 High Voltage Engineering EJ2200 Electrical Machines and Drives EI2410 Field Theory for Guided Wave

* EI2440, Electrotechnical design, 7,5 credits

General The course covers: Basic principles and issues as well as methods and tools for the design of electrical systems including: • electric and magnetic fields, • electric and magnetic materials; • mechanical and thermal system, • multiple physical systems. Most of the course is focused on the implementation of four design tasks including: • methodology for problem formulation and presentation of model algorithms, • use of finite element software, • modelling using dynamic simulation, where tools as COMSOL and MATLAB etc. arare used. The course includes laboratory exercises in dielectric and magnetic materials.

Goal The overall aim is to:

• convey knowledge on how electric, magnetic, mechanical and thermal aspects are addressed in the design of electrical apparatus, • train the ability to use models and computer aided tools and independently solve electrical engineering design problems. After completing the course, students will be able to: • describe the function of some electrical components and function and the properties of the included magnetic, dielectric and conductor materials, • Describe and explain how electric and magnetic fields affect the operation of electrical equipment, • using analytical methods, dynamic simulation and the finite element method for the design of electrical equipment, • identify the functional properties of electrical components using analytical methods, dynamic simulation and finite element method, • modify electrical components using analytical methods, dynamic simulation

and the finite element method so that the characteristics and performance better meet the requirements • summarise and evaluate the proposed design for features and performance in a technical report.

Prerequisites Basic knowledge of mathematics, physics and electrical engineering corresponding to study year 1-3 in the program Electrical Power Engineering.

Course literature Compendium "Electrotechnical modelling and design" IR-EE-ETK 2012:010. Goran Engdahl et al. Power Transformer Design Fundamentals, Åke Carlson, ABB Transformers 4 Project descriptions Some exam problems with solutions 2 Laboratory instructions

Course coordinator Göran Engdahl, phone 08-790 7760 Email: EI2440@ee.kth.se

Advanced courses EI2430 High Voltage Engineering. EJ2210 Analysis of Electrical Machines.

* EI2452, Reliability analysis applied to power system, 7.5 credits

Problem: Power systems is not 100% reliable

"Technical/economic optimization"

Modeling: Probabilistic model of the power system

Theory: -Knowledge of the power system-Applied mathematical statistics-Risk and and economic theory - …

Analyses: Reliability, risk

and cost analyzes

Tools: -Input data (statistics, costs, systems ..)-Risk and vulnerability analysis methods-Available software

Results: Reliability indices

etc.

Basis for decision on for example investment and maintenance planning of electric power system

Illustrative summary of the course content

Invest-ments

Outage-costs

General information In this course you learn to perform quantitative reliability analysis applied to power systems, with emphasis on reliability and economic analyses. The aim of the course is to provide skills in using reliability analysis as decision support for planning, operation and maintenance. The skills taught in the course are highly appreciated by the industry, something which is reflected by the fact that around half of the participants in the course usually comes from the industry.

Learning objectives The goal of this course is to enable the participant to use reliability analysis as a tool for decision-making during development, operation and maintenance of power systems. In particular, this involves: 1. Know key definitions and concepts related to power systems. 2. Describe the distribution grid (including protection system) from a reliability perspective. 3. Analyze a system with the following reliability modeling methods and techniques:

a. Network method – suitable for analyzing a system of independent components. b. Evaluation methods that use SAIFI and SAIDI and importance indices c. Markov modeling d. Lifetime models 4. Perform reliability calculations with computerized tools, as for instance NEPLAN. 5. Make lifecycle cost analysis (LCC) and perform fundamental investment- and risk evaluations based on the output from reliability and LCC calculations. 6. Formulate a reliability-based plan for maintenance control according to a reliability centered maintenance (RCM) philosophy and in particular have knowledge about reliability centered asset management. 7. Describe generally how laws and regulations give incentives for the actors with a distribution grid from the reliability perspective. The fulfillment of goals 1-3 is tested during the exam in the second teaching period. The fulfillment of goals 4-5 is tested in the computer lab. Goals 1-3, and 5-6 are tested in the home exam and the project assignment. Goal 7 is of contouring nature

and could lead to a project assignment in the topic. In addition to what is included in these goals, the participant will also receive training in reporting, giving feedback to peers and presentation technique.

Course outline and activities The work load that should be devoted to the entire course corresponds to 7.5 ECTS credits (200 hours) during period 4 (March-May). The on campus teaching is organized in three course periods, each three days long, and one concluding occasion consisting of presentations. In particular, the course involves the following activities: • Accomplishing the project assignment, individually or in pair. The hypothesis of the assignment should be related to a real-world situation and/or to the participant’s own occupation/interest. In order to gain the most value from the project, it is recommended that projects are chosen for benefit either in the profession, or that the project results in a master thesis project or a scientific publication. • Lectures during which reliability methods are demonstrated and examples of their application • Guest lectures during which an invited speaker from the industry demonstrates his/her experience of reliability analysis and how such types of analysis enter his/her everyday work during planning, operation and maintenance of the power system. • Exam which tests the basic understanding of the methods presented during course period 1. • Home exam which is a written test on the knowledge of the methods listed in the course goals. • Lab which offers a practice of applying the methods and tools that are given in the course. Reports are handed in after

each completed lab. The lab work is performed in groups of two students. • Seminar which is devoted to oral presentations where the participants present their project assignment and oppose to a peers project. For more information, read Examination. • Study visit (optional) is offered (not during the time period of the course). This is not considered to be within the scope of this course, but is an excellent opportunity to meet with people from the industry and see how it is to work with reliability.

Target group The course is offered both for professional engineers (or equivalent) working in the industry and as an elective course at the international master program or the Swedish “civilingenjörsprogram” year 3-5 at E, F, T, I and M (studying power, or systems engineering / optimization). There also exists a PhD course version of 9 ECTS credits. This version has the same content, schedule and requirements with the addition demand of a written scientific paper based on the completed course project.¨

Course disposition Lectures 48h, Exercises 12 h

Lecture rooms All lectures are given at KTH, Teknikringen 33, in the room H 21, which is located on the 1st floor above the entrance level.

Contact information Patrik Hilber: Hilber@kth.se Carl Johan Wallnerström: cjw@kth.se

Course material arl Johan Wallnerström and Patrik Hilber. Reliability Analysis and Asset Management Applied to Power Distribution.

(Optional) Roy Billinton and Ron Allan, “Reliability Evaluation of Power Systems”, second edition.

Prerequisites BSc or mathematics from year 1-3.

Supplementary course EI255X Master Thesis work at RCAM

Examination and grades In order to reach the passing grade, the following is required: • Passing of the project assignment (PRO2) of 4.5 ECTS credits: involve:

o Passing of the project assignment, in particular a passed written and oral presentation of the assignment.

o Passing of the lab, in particular this involves participation in the lab and handing in the lab reports.

o Participation at the seminar, which involves opposing to a peers project assignment.

• Passing of the written exam (TEN2) of 3 ECTS credits. The overall grade in the course is a contexture of the grades on the different parts of the course (given that all the parts have been passed), i.e. both exams and project work can affect the final grade, but also other moments can help increase the grade. Grades are given according to the 7 step scale of the ECTS system.

* EI2455 Smarta elektriska kraftnät och system 7,5 hp

Lärandemål Efter fullgjord kurs skall man kunna redogöra för hur inverkan av distribuerad och fluktuerande elproduktion påverkar eldistributionsnätens konstruktion redogöra för vilka metoder som kan användas för övervakning och diagnostik av elkraftapparater och hur dessa metoder kan ge ökad tillförlitlighet i elförsörjningen analysera konsekvenserna av olika överföringsmetoder för elektrisk energi göra kvalitativa och kvantitativa jämförelser mellan olika teknologier baserade på konventionell teknik och kraftelektronik kunna göra modeller för beräkning av konsekvenserna för småskalig generering och energilagring samt förändrad elkonsumtion pga ökad användning av smart styrning, solceller, värmepumpar, etc. samt elbilar som laddas från elnätet men som även kortvarigt kan leverera el till nätet ha en uppfattning om vilka faktorer och aspekter som styr ett elnäts konstruktion

Kursens huvudsakliga innehåll Del 1: Elgenerering från förnyelsebara energikällor. Analys av inverkan på elsystemets av: elproduktion på alla spännings- och effekt-nivåer, ökad andel distribuerad generering, högre andel flukterande energikällor, t.ex. vind- och vågkraft. Energilagringsprinciper och omvandling mellan energiformer, t.ex. batterier, svänghjul, tryckluftslagring etc. Del 2: Det flexibla transmissionssystemet. Överföring med UHVAC, Tyristor-HVDC,

IGBT-HVDC, UHVDC. Metoder för övervakning och diagnostik av systemkomponenter, framförallt avseende de elektriska isolersystemen. Del 3: Smarta elnät på konsumentnivå. Inverkan av egen generering, optimerat elanvändande, elbilar etc. Del 4: Det flexibla distributionssystemet. Inverkan av storskalig förnyelsebar generering, energieffektivisering i storskaliga anläggningar, nya komponenter i distributionssystemet.

Behörighet Grundläggande kurser inom elektroteknik EJ1200 Eleffektsystem EG2020 Elkraftsystem, grundläggande kurs EJ2300 Kraftelektronik eller motsvarande kunskaper

Litteratur Kurspärm, H.Edin (red), "Smart Electrical Networks and Systems" , KTH, 2011.

Examination ASS1 - Hemuppgifter, 3,0 hp, betygsskala: P, F PRO1 - Projekt, 4,5 hp, betygsskala: A, B, C, D, E, FX, F

Krav för slutbetyg Projekt 1 (4 delprojekt), PRO1, 4,5p Hemuppgifter (4 hemuppgifter), ASS1, 3p

Examinator Hans Edin edin@kth.se

EI252X, Examensarbete i Teoretisk elektroteknik Vårt samhälle präglas av ett intensivt informationsutbyte, som till största delen sker med elektromagnetiska vågor. Satellitkommunikation, mobilkommunikation, TV-länkar, radar, traditionell radio och identifikationsystem (AIS) är exempel på stora tillämpningsområden. Vår kunskap om vår miljö, jordens atmosfär och rymden utanför har vi fått genom att tolka elektromagnetiska vågors fortplantning genom det okända mediet. Atomers egenskaper undersöks i många fall med elektromagnetiska vågor. Dessa och liknande frågeställningar, är exempel på s.k. inversa problem, där ett materials egenskaper beräknas från den information om materialet som den elektromagnetiska vågen innehåller. Stora viktiga tillämpningar på inversa problem med elektromagnetiska vågor finns inom medicinen, där man önskar avbilda kroppens inre organ utan kirurgiska ingrepp. Även inom andra områden finns stor användning av s.k. icke-förstörande testning av material. Men det är inte endast som informationsöverförare som elektromagnetisk vågutbredning har stor betydelse. Elektromagnetiska vågor används på flera olika sätt i industri och samhälle. Elektronikutvecklingen går mot allt mindre komponenter och högre frekvens, snabbare förlopp. De elektriska och magnetiska fältens fulla vågkaraktär kommer här alltmer in i bilden. En utveckling och förståelse av dessa tillämpningar kräver kunskap om grundläggande elektromagnetiska vågutbredningsfenomen. Ett examensarbete inom Teoretisk elektroteknik ger möjlighet att förvärva kompetens inom bl. a. ovanstående områden. Examensarbetet kan vara teoretiskt eller praktisk till sin karaktär och kan utföras i samarbete med ett företag eller inom avdelningen för Elektroteknisk teori och konstruktion. Du kan själv kontakta ett företag angående examensarbete och får då en handledare från företaget och en examinator från avdelningen eller tag kontakt med lärare/kursansvarig för förslag om lämpligt examensarbete.

EI253X, Examensarbete i Högspänningsteknik Högspänningsteknik är ett mångfacetterat ämne som inbegriper allt från genereringen av elektrisk energi i kärnkraftverk och vattenkraftstationer till de ”två hålen i väggen”. Transmission av elektrisk energi över stora avstånd görs med höga spänningar som i Europa ligger kring 400 kV medan man i Kina just nu tar i drift system för 800 kV (800 kV har funnits sedan 70-talet men inte nyttjats på så många platser i världen). Framtidens energiförsörjning är en stor utmaning och ett mycket aktuellt område över hela världen. Kunskaper inom elektroteknik och bland annat högspänningsteknik kommer att vara viktiga när det gäller att lösa dessa problem. Tillgängligheten på elektricitet är viktig. Hög tillgänglighet kräver en hög tillförlit-lighet. Vi har de senare åren sett exempel där stora störningar av elförsörjningen har fått omfattande konsekvenser - inte minst det stora elavbrottet som drabbade nordöstra USA och Kanada den 14:e augusti 2003. Fel av sådan omfattning kräver normalt en kedja av olyckliga omständigheter men påvisar ändå brister i tillförlitligheten hos enskilda komponenter. I forskargruppen för Högspänningsteknik sysslar vi i stor omfattning med att ta fram nya metoder och mätutrustning för att diagnostisera högspänningsutrustning. Diagnostisering innebär att man för befintliga apparater försöker bestämma den åldrade elektriska isolationens egenskaper att motstå överspänningar och andra överbelastningar som kan tänkas inträffa. Viktiga tillämpningar finns för kraft-transformatorer, kablar, generatorer etc.. Examensarbeten utförda inom forskar-gruppen kan vara av skilda slag. Vissa examensarbeten har en starkt fundamental och fysikalisk koppling där det gäller att förstå åldringsmekanismer i elektrisk isolation - t.ex. beteendet av små elektriska urladdningar och elektriska träd som kan uppstå i den elektriska isolationen. Andra ex-jobb är mer inriktade mot utveckling av mät-teknik som kan användas vid diagnostik på fullskaliga apparater. Ett examensarbete kopplat till diagnostik är vanligen kopplat till forskningen. Alla områden som behandlar fenomen kring högspänning, konstruktion av utrustning, utvärdering av ett elnäts egenskaper, etc., är i princip möjliga för examensarbeten. Examensarbete inom industrin kan utföras på en mängd olika företag. Du kan leta upp ett examensarbete genom att själv ta kontakt med företaget men lärarna/forskarna på avdelningen för elektroteknisk teori och konstruktion kan många gånger sitta inne med kontakter och idéer till industriexamensarbeten. Examensarbetet kan sedan utföras i sin helhet på företaget med en examinator och handledare från KTH som stöd eller också ha karaktären av ett samarbete mellan företaget, KTH och examens-arbetaren.

EI254X Master Thesis Degree Course in Electrotechnical modelling In science is modeling activities indispensable. Regardless of discipline the basic method is to use experiments to create a model of a certain part of reality, study its properties, verify it with measurements and interpret the predictions obtained from the model. Electrotechnical modelling therefore is used in most fields dealing with electricity and magnetism. The purpose of a model that is a mathematical description of the behaviour of phenomena or processes is to be able to predict how these will behave in various future situations. Examples of use of such models are in situations where

• it is too expensive to perform an experiment. An expensive system may for example be destroyed by a direct measurement.

• it is too dangerous. Personal safety and the environment can be jeopardized if a direct measurement is performed.

• the studied system does not yet exist. A planned system exists only in concept form, for example in a patentable invention.

Progress in theoretical electrical engineering and the emergence of new high performance materials has paved the way for a full explosion of the use of electricity in daily life, and thus the need for models of electrical systems and components. Building blocks of all electrical designs are the included electrical conductor and insulation materials, and magnetic materials. Good properties of the insulation materials enable e.g. the use of high voltages, which is a prerequisite for long-distance transmission of electricity. The magnetic materials are indispensable in transformers and electrical machines. Without those the use of electric power on a large scale is not possible. For electrical conductor materials is a great potential in the superconducting materials to reduce the resistive losses and thereby increase the efficiency of current systems and components. A Master Thesis Degree Course in Electrotechnical modelling offers the opportunity to acquire skills in the above areas. The thesis may be theoretical or practical in nature and can be carried out in cooperation with a company or in the department of Electromagnetic Engineering. You can contact a company regarding the Master Thesis Degree project and then get a tutor from the company and an examiner from the department or get in touch with the teacher / coordinator for suggestions for an appropriate Master Thesis Degree project.

EI255X, Examensarbete i Tillförlitlighetsanalys för elkraftsystem RCAM-gruppen (Reliability Centered Asset Management) är en forskargrupp som fokuserar på tillförlitlighetsberäkningar för elkraftsystem. Två viktiga områden är komponent- och systemmodellering ur ett tillförlitlighets- och kostnadsperspektiv. Exempel på komponentmodellering är hur en frånskiljare åldras och hur felfrekvensen påverkas av detta, eller hur växellådan i ett vindkraftverk påverkar livscykelkostnaden för hela vindkraftverket. Kunskap om komponenterna används sedan på systemnivå, där komponenten och dess underhåll bedöms utifrån dess betydelse för nätverket och vad den förväntas prestera. Detta är områden som behandlas inom kursen Tillförlitlighetsanalys av Elkraftsystem, vilket är en kurs som utgör utgångspunkten för examensarbete inom RCAM-gruppen. En stor andel av examensarbetena som utförts inom RCAM-gruppen har resulterat i vetenskapliga publikationer, vilket indikerar att examensarbetaren i regel kommer fram till forskningsfronten. Utöver detta så ser arbetsmarknaden mycket god ut inom området då expertis inom tillförlitlighet/underhåll/planering är mycket eftertraktat. Ett examensarbete inom RCAM ger möjlighet att förvärva kompetens inom bl.a. ovanstående områden. Examensarbetena är övervägande teoretiska till sin karaktär, men då arbetet bedrivs ”nära” verkligheten är studiebesök mycket vanliga. Examensarbetet kan utföras i samarbete med ett företag eller inom avdelningen för Elektroteknisk teori och konstruktion. Om du är intresserad av att utföra ditt examensarbete hos oss bör du kontakta en lärare inom RCAM-gruppen i god tid innan det är aktuellt att starta. Vi är öppna för egna initiativ och har många gånger förslag på lämpliga problem att studera. Dessutom kan du själv kontakta ett företag angående examensarbete och på så vis initiera ett samarbete. I regel vill vi att eleven skall ha läst tillförlitlighetsberäkningar för elkraftsystem, eller motsvarande kurser.

Kursöversikt Elektroteknisk teori och konstruktion

Kurskod Kursnamn Omfång Period

1 Period

2 Period

3 Period

4

Poäng F Ö L Examin F Ö L F Ö L F Ö L F Ö L

hp tim tim tim period

EI1102 Elkretsanalys (IT) 7,5 24 30 4 1 24 30 4

EI1110 Elkretsanalys, utökad kurs (E) 9 29 26 4 1 & 3 13 16

EI1120 Elkretsanalys för energi och miljö 7,5 8 30 4 3 8 30

EI1200 Elektromagnetisk fältteori (E) 7,5 37 36 1 37 36

EI1210 Vågutbredning och antenner (E) 7,5 37 36 3 28 28

EI1240 Teoretisk elektroteknik (F) 9 52 52 1,2 & 4 26 26

25 24

EI1260 Teoretisk elektroteknik , grundkurs (CL) 6 37 36 1& 2, inl 15 15

20 19

EI2433 Electrotechnical modelling 7,5 38 28 2 38 28

EI2400 Tillämpad antennteknik 7,5 30 14 4, proj 30 14

EI2402 Elektromagnetisk förenlighet (EMC) 7,5 40 48 2 42 12

EI2405 Basic Electromagnetic Theory 7,5 50 2 30 20

EI2410 Fältteori för vågledare 7,5 50 Ges ej 2014

50

EI2420 Elektromagnetisk vågutbredning 7,5 56 Ges ej 2014 56

EI2430 Högspänningsteknik 7,5 26 12 12 4 26 12 12

EI2435 Elnätsteknologi och ställverksutrustning 7

EI2440 Elektroteknisk konstruktion 7,5 32 8 3 32 8

EI2455 Smarta elektriska kraftnät och system 7,5

EI2452 Tillförlitlighetsanalys för elkraftsystem 7,5 48 12 4 48 12

EI252X Examensarbete i Teoretisk elektroteknik 30

EI253X Examensarbete i Högspänningsteknik 30

EI254X Examensarbete i Elektroteknisk modellering 30

EI255X Examensarbete i Tillförlitlighetsanalys för

elkraftsystem 30

F, Ö, L Föreläsning, övning, laboration

inl Inlämningsuppgifter

mu Muntlig tentamen

sb, hl Studiebesök, handledning

proj Projektuppgift

Anteckningar ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------