No description available.

Our society moves towards digitalization and the industry is not an exception. Siemenshas developed a wireless condition monitoring device called Simotics Connect in order tohelp them to move forward in the world of digitalization. The Simotics Connect has threeinbuilt sensors. One for temperature, one for vibrations and one for magnetic flux density,a product that is new in the market. This master thesis has investigated its usability forthird party motors, which has not been done.Four areas were investigated, the status in the current market, creating a motorgeometry estimation based on nameplate data, presenting a temperature model to calculatea motor’s cross section temperature and, finally, proposed a stator current model using themagnetic field measurement.Market research has shown that a space for the Simotics Connect to thrive in mostdefinitely exists.The motor geometry estimation, that is based on preliminary electromagnetic sizing,creates a digital twin for the motor that has sufficient accuracy as a tool when calculatinge.g. temperature calculations but lacks accuracy for more advanced and sensitivecalculations e.g for magnetic flux density measurement usability.The temperature model that is presented shows great accuracy when calculating thecross section temperature in the stator but the accuracy decreases for the cross sectiontemperature in the rotor.A stator current model is proposed using a proportional relationship between themagnetic flux density and stator current. The results indicates a linear relationship, thoughusing the digital twin to calculate the proportional constant were concluded to not beaccurate enough. / Sammhället rör sig idag mot digitalisering och industrin är ej ett undantag. Siemens harutvecklat en trådlös underhållsmätare kallad Simotics Connect för att hjälpa dem strävamot en värld inom digitalisering. Simotics Connect hat tre inbyggda sensorer. En för temperatur,en för vibrationer och en för magnetisk flödestäthet, vilket är nytt på marknaden.Detta masterprojekt har undersökt användningen av Simotics Connect för tredjepartsmotorer,vilket ej har gjorts tidigare.Fyra områden undersöktes, statusen på den nuvarande marknaden, en motorgeometriuppskattningmodellbaserad på namnskylsdata, en temperaturmodell för att beräknamotorns tvärsnittstemperatur och, slutligen, en statorströmmodell som använder sig avmagnetiska flödestäthetsmätningen.Marknadsundersökningen har visat att det finns ett utrymme för Simotics Connectatt blomstra inom på den nuvarande marknaden.Motorns geometriska uppskattning, som är baserad i preliminär elektromagnetiskgeometribestämning, skapar en digital tvilling av motorn som är tillräckligt noggrann föratt aggera som ett verktyg vid t.ex. temperatursberäkningar men saknar noggrannhet förmer avancerade och känsliga beräkningar, t ex för användbarhet inom magnetisk flödestäthetsberäkningar.Temperaturmodellen som presenteras visar stor noggrannhet vid beräkning av statornstvärsnittstemperatur, men noggrannheten minskar för rotorns tvärsnittstemperatur.En statorströmmodell föreslås med ett proportionellt förhållande mellan magnetflödesdensitetenoch statorströmmen. Resultaten indikerar ett linjärt förhållande, men användandetav den digitala tvillingen för att beräkna proportionell konstant konstateras attinte vara tillräckligt noggrann metod.

Optimizing and controlling the heating systems in buildings is one way to decrease their load on the power grid, as well as introduce load flexibility to be used in Demand Response (DR) applications. A requirement in occupied buildings is that the thermal comfort of the residents is guaranteed, making the optimization of heating systems a constrained problem with respect to indoor temperature. Thermal models capable of predicting indoor temperatures over short (24 hour) horizons are one way to guarantee this comfort. The accuracy and computational complexity of these models have the most significant impact on controller performance. The data requirements and the expert knowledge required for model implementation are also important factors, since they determine the development costs and, finally, whether a model is feasible to implement. First a literature study explores current modeling approaches that depend only on time-series sensor data and that are suited for control applications. A modeling type found to be fit for such purposes are grey-box models, specifically physically inspired inverse models whose parameters are estimated based on data, such as Resistance- Capacitance (RC) models. This modeling of a dynamical system approach uses prior information in the form of the assumed physical equations and has the potential to increase the performance on sparse data problems. The simple form of the model also has a low level of complexity, making it well suited for control applications. However, expert knowledge can be needed for choosing the model equations as well as initializing the parameters. Then the effects of varying RC model complexity, parameter initialization, and training data are investigated in the case study. The chosen models are 1R1C, 2R2C, and 3R2C. They are fitted using the Nelder-Mead algorithm and validated using the data collected from the RISE Research Villa. Parameter initializations are varied by two orders of magnitude and then fitted on different data sequences to avoid relying on expert knowledge in model creation. The initializations that converged with the best R2 training fit on all sequences were deemed reasonable initializations for the problem and used in the training length comparison. The training length of the models varies from 24 to 384 hours. The results showed that increased training data length correlates positively with performance up to 192 hours for all models, but further increasing it gave inconclusive results. The higher order models evaluated struggled to beat the simplest model or even the constant prediction baseline in Mean Absolute Error (MAE) performance at all training lengths, indicating either that the models selected are unsuitable or that the data features chosen are unrepresentative of the indoor temperature dynamics. Regardless, the MAE errors presented here are comparable to the outcomes of related works. This is possibly an artifact of this dataset having a low variance in temperature and thus resulting in lower errors, which underlines the importance of the data used in case-studies. / Att optimera och styra värmesystemen i byggnader är ett sätt att minska belastningen på elnätet och införa flexibilitet i belastningen som kan användas i tillämpningar för efterfrågeflexibilitet (Demand Response, DR). Ett krav i bebodda byggnader är att de boendes termiska komfort garanteras, vilket gör optimeringen av värmesystemen till ett begränsat problem med avseende på inomhustemperaturen. Termiska modeller som kan förutsäga inomhustemperaturer på kort sikt (24 timmar) är ett sätt att garantera denna komfort. Dessa modellers noggrannhet och beräkningskomplexitet har störst inverkan på styrningens prestanda. Datakraven och den expertkunskap som krävs för att genomföra modellen är också viktiga faktorer, eftersom de avgör utvecklingskostnaderna och slutligen om en modell är möjlig att implementera. Först görs en litteraturstudie av nuvarande modelleringsmetoder som endast är beroende av tidsserier av sensordata och som lämpar sig för reglertillämpningar. En modelleringstyp som visat sig vara lämplig för sådana ändamål är grey-box-modeller, särskilt fysikaliskt inspirerade inversa modeller vars parametrar estimeras på basis av data, t.ex. RC-modeller (Resistance-Capacitance). Denna modell av ett dynamiskt system modellering använder förhandsinformation i form av de antagna fysiska ekvationerna och har potential att öka prestandan vid problem med begränsad data. Modellens enkla form har också en låg komplexitetsnivå, vilket gör den väl lämpad för kontrolltillämpningar. Expertkunskap kan dock behövas för att välja modellekvationer och initiera parametrarna. Därefter undersöks effekterna av att variera RC-modellens komplexitet, parameterinitialisering och träningsdata i fallstudien. De valda modellerna är 1R1C, 2R2C och 3R2C. De tränas med hjälp av Nelder-Mead-algoritmen och valideras med hjälp av data som samlats in från RISE Research Villa. Initialiseringarna av parametrarna varieras med två storleksordningar och anpassas sedan på olika dataserier för att undvika att förlita sig på expertkunskap vid skapandet av modellerna. De initialiseringar som konvergerade med den bästa träningsanpassningen R2 på alla sekvenser ansågs vara rimliga initialiseringar för problemet och användes i jämförelsen av träningslängden. Modellernas träningslängd varierar mellan 24 och 384 timmar. Resultaten visade att en ökad längd på träningsdata korrelerar positivt med prestanda upp till 192 timmar för alla modeller, men att ytterligare ökning inte ger några entydiga resultat. De utvärderade modellerna av högre ordning hade svårt att överträffa den enklaste modellen eller till och med referensmodellen med konstant prediktion i fråga om genomsnittligt absolut fel (MAE) vid alla träningslängder, vilket tyder antingen på att de valda modellerna är olämpliga eller att de valda datafunktionerna inte är representativa för inomhustemperaturens dynamik. Oavsett detta är de MAE-fel som presenteras här jämförbara med resultaten från relaterade studier. Detta är möjligen en artefakt av att detta dataset har en låg varians i temperaturen och därmed resulterar i lägre fel, vilket understryker vikten av de data som används i fallstudier.

A soft quadruped robot is being developed at the Department of Machine Design and Department of Production Engineering at KTH. The legs of the robot consist of four continuum actuators that can achieve complex movements. In order to efficiently develop gaits for the robot, reinforcement learning will be used. The learning process will use data from simulation instead of directly from the real robot to save time and resources. However, it is significantly more computationally expensive to simulate soft robotics than rigid, because the physical laws of flexible materials are inherently complex. Because of this, soft robot simulations tend to be slower which limits their usability for reinforcement learning. This thesis explores simulation modelling options in Matlab Simscape for the soft quadruped robot, that can be used in reinforcement learning. Four simulation models of the soft actuator were implemented in order to be tested and compared. Two actuation methods and two build options were chosen based on the literature study and related works, and were then permuted for the different combinations. The tested combinations are: lumped-parameter method actuated by internal force, flexible beam actuated by internal force, lumped-parameter method actuated by cable/pulley network and flexible beam actuated by cable/pulley network. The four actuators were built and tested separately. Computational time and simulation-to-reality gap were used for evaluating the modeling methods. The results show that the best option when modelling the soft actuator for reinforcement learning in Matlab Simscape is to use the lumped-parameter method in combination with a cable and pulley network. High accuracy level can still be achieved despite not keeping the true number of attachment points between the cable and actuator. The number of pulleys in the model is linearly correlated to the time cost required to simulate the model. / En mjuk fyrbent robot är under utveckling vid institutionen för maskinkonstruktion och institutionen för industriell produktion på KTH. Robotens ben består av fyra kontinuerligt deformerbara ställdon som kan åstadkomma komplexa rörelser. För att effektivt utveckla gångstilar till roboten kommer förstärkt inlärning att användas. Inlärningsprocessen kommer att använda data från simulering istället för från den fysiska roboten för att spara tid och resurser. Det är dock betydligt dyrare beräkningsmässigt att simulera mjuk robotik än styv, eftersom flexibla material är mer komplexa. På grund av detta tenderar simuleringar av mjuka robotar att vara långsammare, vilket begränsar deras användbarhet för förstärkt inlärning. Detta examensarbete utforskar därför alternativ för modellering och simulering av den mjuka fyrbenta roboten i Matlab Simscape, med målet att den ska kunna användas med förstärkt inlärning. Fyra olika simuleringsmodeller av det mjuka ställdonet implementerades för att testas och jämföras. Två aktiveringsmetoder och två konstruktionsalternativ valdes baserat på litteraturstudien och relaterade arbeten, och permuterades sedan till möjliga versioner. De testade versionerna är således: klumpparametermetod som aktiveras av intern kraft, flexibel balk som aktiveras av intern kraft, klumpparametermetod som aktiveras av kabelnätverk och flexibel balk som aktiveras av kabelnätverk. De fyra ställdonen byggdes och testades separat. Beräkningstid och grad av verklighetstrogenhet, användes för att jämföra resultaten av dessa tester. Resultaten visar att det bästa alternativet vid modellering av det mjuka ställdonet för förstärkt inlärning i Matlab Simscape är att använda klumpparametermetoden i kombination med ett kabelnätverk. Hög noggrannhetsnivå kan uppnås trots att man inte bibehåller det verkliga antalet fästpunkter mellan kabeln och ställdonet. Antalet fästpunkter för kabeln i modellen är linjärt korrelerat till den tidskostnad som krävs för att simulera modellen.

A significant challenge with permanent magnet synchronous motors (PMSMs) is thermal management. Thermal stress can lead to irreversible damage to components, and to enable efficient cooling, a thermal model is needed. In this thesis paper, methods for estimating the hot spot temperature of the windings in PMSMs used in heavy-duty EVs are investigated. The methods include black-box models and lumped parameter thermal network-based models. The results reveal that the implemented models are not sufficient for achieving the desired accuracy, and indicate that more parts of the windings need to be considered.

No description available.

No description available.

In general, electric propulsion offers very high efficiency but relatively low thrust. To remedy this, several ion engines can be assembled in a clustered configuration and operated in parallel. This requires the careful design of a frame to accommodate the individual propulsion systems. This frame must be modular to be used in different cluster sizes, and verify thermal and mechanical requirements to ensure the nominal operation of the thrusters. The present report aims to show the design process of such a frame, from preliminary modelling to the experimental study of a prototype. This document features an overview of the iterative design process driven by thermal simulations rendered on COMSOL Multiphysics. This process led to the conception of a 2-thruster and 4-thruster cluster frame. A lumped-parameter model of the electric propulsion system was also created to model its complex thermal behaviour. In addition, the 2-thruster frame was studied mechanically with analytical calculations and simulations of simple load cases on SolidWorks. Lastly, a prototype based on the 2-thruster frame model was assembled. The prototype was used to conduct temperature measurements while hosting two operating thrusters inside a vacuum chamber. The temperature distribution in the cluster was measured, and compared to simulation results. Thermal simulations of the 2-thruster and 4-thruster frame showed promising results, while mechanical simulations of the 2-thruster version met all requirements. Moreover, experimental results largely agreed with thermal simulations of the prototype. Finally, the lumped-element model proved instrumental in calibrating the models, with its high flexibility and quick computation time. / Generellt erbjuder elektrisk framdrivning hög verkningsgrad men relativt låg dragkraft. För att avhjälpa detta kan flera jonmotorer sättas samman i en klusterkonfiguration och drivs parallellt. Detta kräver en noggrann utformning av en ram för att rymma de enskilda framdrivningssystemen. Denna ram måste vara modulär för att kunna användas i olika klusterstorlekar och verifiera termiska och mekaniska krav för att säkerställa den nominella driften av motorerna. Föreliggande rapport syftar till att visa designprocessen för en sådan ram, från preliminär modellering till experimentell studie av en prototyp. Detta dokument innehåller en översikt över den iterativa designprocessen, driven av termiska simuleringar gjorda med COMSOL Multiphysics, som ledde till uppfattningen av en 2 motorer och 4 motorer ram. En klumpelementmodell av jonmotorn skapades också för att modellera dess komplexa termiska beteende. Dessutom var den 2 motorer ram studeras mekaniskt med analytiska beräkningar och simuleringar av enkla laddafall med SolidWorks. Slutligen monterades en prototyp baserad på den 2 motorer rammodellen. Prototypen användes för att göra temperaturmätningar medan den är värd för 2 jonmotorer i en vakuumkammare. Temperaturfördelningen i klustret mättes och jämfördes med simuleringsresultat. Termiska simuleringar av den 2 motorer och 4 motorer ramen visade lovande resultat, medan mekaniska simuleringar av den 2 motorer versionen klarade alla krav. Dessutom överensstämde experimentella resultat till stor del med termiska simuleringar av prototypen. Slutligen var klumpelementmodellen mycket användbar för att kalibrera de andra modellerna med sin höga flexibilitet och snabba beräkningstid.

The electric power systems are currently being transformed through the integration of intermittent renewable energy resources and new types of electric loads. These developments run the risk of increasing mismatches between electricity supply and demand, and may cause non-favorable utilization rates of some power system components. Using Demand Response (DR) from flexible loads in the building stock is a promising solution to overcome these challenges for electricity market actors. However, as DR is not used at a large scale today, there are validity concerns regarding its cost-benefit and reliability when compared to traditional investment options in the power sector, e.g. network refurbishment. To analyze the potential in DR solutions, bottom-up simulation models which capture consumption processes in buildings is an alternative. These models must be simple enough to allow aggregations of buildings to be instantiated and at the same time intricate enough to include variations in individual behaviors of end-users. This is done so the electricity market actor can analyze how large volumes of flexibility acts in various market and power system operation contexts, but also can appreciate how individual end-users are affected by DR actions in terms of cost and comfort. The contribution of this thesis is bottom-up simulation models for generating load profiles in detached houses and office buildings. The models connect end-user behavior with the usage of appliances and hot water loads through non-homogenous Markov chains, along with physical modeling of the indoor environment and consumption of heating and cooling loads through lumped capacitance models. The modeling is based on a simplified approach where openly available data and statistics are used, i.e. data that is subject to privacy limitations, such as smart meter measurements are excluded. The models have been validated using real load data from detached houses and office buildings, related models in literature, along with energy-use statistics from national databases. The validation shows that the modeling approach is sound and can provide reasonably accurate load profiles as the error results are in alignment with related models from other research groups. This thesis is a composite thesis of five papers. Paper 1 presents a bottom-up simulation model to generate load profiles from space heating, hot water and appliances in detached houses. Paper 2 presents a data analytic framework for analyzing electricity-use from heating ventilation and air conditioning (HVAC) loads and appliance loads in an office building. Paper 3 presents a non-homogeneous Markov chain model to simulate representative occupancy profiles in single office rooms. Paper 4 utilizes the results in paper 2 and 3 to describe a bottom-up simulation model that generates load profiles in office buildings including HVAC loads and appliances. Paper 5 uses the model in paper 1 to analyze the technical feasibility of using DR to solve congestion problems in a distribution grid. / Integrering av förnybara energikällor och nya typer av laster i de elektriska energisystemen är möjliga svar till klimatförändringar och uttömning av ändliga naturresurser. Denna integration kan dock öka obalanserna mellan utbud och efterfrågan av elektricitet, och orsaka en ogynnsam utnyttjandegrad av vissa kraftsystemkomponenter. Att använda efterfrågeflexibilitet (Demand Response) i byggnadsbeståndet är en möjlig lösning till dessa problem för olika elmarknadsaktörer. Men eftersom efterfrågeflexibilitet inte används i stor skala idag finns det obesvarade frågor gällande lösningens kostnadsnytta och tillförlitlighet jämfört med traditionella investeringsalternativ i kraftsektorn. För att analysera efterfrågeflexibilitetslösningar är botten-upp-simuleringsmodeller som fångar elförbrukningsprocesser i byggnaderna ett alternativ. Dessa modeller måste vara enkla nog för att kunna representera aggregeringar av många byggnader men samtidigt tillräckligt komplicerade för att kunna inkludera unika slutanvändarbeteenden. Detta är nödvändigt när elmarknadsaktören vill analysera hur stora volymer efterfrågeflexibilitet påverkar elmarknaden och kraftsystemen, men samtidigt förstå hur styrningen inverkar på den enskilda slutanvändaren.  Bidraget från denna avhandling är botten-upp-simuleringsmodeller för generering av elförbrukningsprofiler i småhus och kontorsbyggnader. Modellerna kopplar slutanvändarbeteende med elförbrukning från apparater och varmvattenanvändning tillsammans med fysikaliska modeller av värmedynamiken i byggnaderna. Modellerna är byggda på en förenklad approach som använder öppen data och statistisk, där data som har integritetsproblem har exkluderats. Simuleringsresultat har validerats mot elförbrukningsdata från småhus och kontorsbyggnader,  relaterade modeller från andra forskargrupper samt energistatistik från nationella databaser. Valideringen visar att modellerna kan generera elförbrukningsprofiler med rimlig noggrannhet. Denna avhandling är en sammanläggningsavhandling bestående av fem artiklar. Artikel 1 presenterar botten-upp-simuleringsmodellen för genereringen av elförbrukningsprofiler från uppvärmning, varmvatten och apparater i småhus. Artikel 2 presenterar ett dataanalytiskt ramverk för analys av elanvändningen från uppvärmning, ventilation, och luftkonditioneringslaster (HVAC) och apparatlaster i en kontorsbyggnad. Artikel 3 presenterar en icke-homogen Markovkedjemodell för simulering av representativa närvaroprofiler i enskilda kontorsrum. Artikel  4 använder resultaten i artiklarna  2 och 3 för att beskriva en botten-upp-simuleringsmodell för generering av elförbrukningsprofiler från HVAC-laster och apparater i kontorsbyggnader. Artikel  5 använder modellen i artikel 1 för att analysera den tekniska möjligheten att använda efterfrågeflexibilitet för att lösa överbelastningsproblem i ett eldistributionsnät. / <p>QC 20160329</p>

Αναπτύσσεται ένα πλήρες δυναμικό μοντέλο μετασχηματιστή που λαμβάνει υπόψη τη γεωμετρία του πυρήνα και τη συνδεσμολογία των τυλιγμάτων. Το μοντέλο μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί στις καταστατικές εξισώσεις ενός συστήματος ισχύος με σκοπό τη μελέτη της δυναμικής του απόκρισης και τον υπολογισμό ανωτέρων αρμονικών. Ο βρόχος υστέρησης του υλικού του πυρήνα εισάγεται με το μοντέλο που: (α) προτείνει ο Tellinen και (β) προτείνουν οι Jiles και Atherton. Τα μοντέλα αυτά υπολογίζουν σωστά τις απώλειες υστέρησης του πυρήνα, επιτρέποντας στα διάφορα τμήματα του πυρήνα να διαγράφουν διαφορετικούς βρόχους. Η επίδραση των δινορευμάτων ενσωματώνεται στο μοντέλο με μη γραμμικές ωμικές αντιστάσεις για τον υπολογισμό των οποίων αξιοποιούνται οι σχετικές με τα δινορεύματα, ευρέως αποδεκτές, εργασίες του Bertotti. Ο πίνακας Ld των αυξητικών επαγωγών του μετασχηματιστή υπολογίζεται για οποιαδήποτε γεωμετρία πυρήνα και αριθμό τυλιγμάτων με την βοήθεια του Ισοδυνάμου Αυξητικού Κυκλώματος (ΙΑΚ) του πυρήνα. Ο αναλυτικός υπολογισμός των στοιχείων του πίνακα Ld αναδεικνύει τον τρόπο εξάρτησης των αυξητικών επαγωγών του μετασχηματιστή από τη γεωμετρία του πυρήνα και από τη χαρακτηριστική καμπύλη του υλικού. / A dynamic and complete transformer model is developed which takes into account the magnetic core geometry and the windings connections. This model can easily be incorporated with the state equations of a power system, in order to calculate its dynamic response and the harmonic content. The magnetic hysteresis of the core material is introduced the model that is proposed by: (a) Tellinen and (b) Jiles and Atherton. These models can estimate the hysteresis power losses even when the hysteresis loops into several parts of the core differ. The eddy currents effects are incorporated into the model by non-linear ohmic resistances which are based on Bertotti’s work for the eddy currents. The matrix Ld of the incremental inductances of the windings is calculated, for any possible core geometry and number of windings, using the Equivalent Incremental Circuit (EIC) of the core. The analytical calculation of the elements of the matrix Ld shows the dependency of the incremental inductances on the core geometry and the characteristic curve of the core material.