Levitated electromechanics: all-electrical cooling of charged nano- and micro-particles

We show how charged levitated nano- and micro-particles can be cooled by interfacing them with an $RLC$ circuit. All-electrical levitation and cooling is applicable to a wide range of particle sizes and materials, and will enable state-of-the-art force sensing within an electrically networked system. Exploring the cooling limits in the presence of realistic noise we find that the quantum regime of particle motion can be reached in cryogenic environments both for passive resistive cooling and for an active feedback scheme, paving the way to levitated quantum electromechanics.Comment: Manuscript: 16 pages, 5 figures. Supplementary material: 3 pages 2 figure

Competing mechanisms of stress-assisted diffusivity and stretch-activated currents in cardiac electromechanics

We numerically investigate the role of mechanical stress in modifying the conductivity properties of the cardiac tissue and its impact in computational models for cardiac electromechanics. We follow a theoretical framework recently proposed in [Cherubini, Filippi, Gizzi, Ruiz-Baier, JTB 2017], in the context of general reaction-diffusion-mechanics systems using multiphysics continuum mechanics and finite elasticity. In the present study, the adapted models are compared against preliminary experimental data of pig right ventricle fluorescence optical mapping. These data contribute to the characterization of the observed inhomogeneity and anisotropy properties that result from mechanical deformation. Our novel approach simultaneously incorporates two mechanisms for mechano-electric feedback (MEF): stretch-activated currents (SAC) and stress-assisted diffusion (SAD); and we also identify their influence into the nonlinear spatiotemporal dynamics. It is found that i) only specific combinations of the two MEF effects allow proper conduction velocity measurement; ii) expected heterogeneities and anisotropies are obtained via the novel stress-assisted diffusion mechanisms; iii) spiral wave meandering and drifting is highly mediated by the applied mechanical loading. We provide an analysis of the intrinsic structure of the nonlinear coupling using computational tests, conducted using a finite element method. In particular, we compare static and dynamic deformation regimes in the onset of cardiac arrhythmias and address other potential biomedical applications

Cardiac Electromechanics: The effect of contraction model on the mathematical problem and accuracy of the numerical scheme

Models of cardiac electromechanics usually contain a contraction model determining the active tension induced at the cellular level, and the equations of nonlinear elasticity to determine tissue deformation in response to this active tension. All contraction models are dependent on cardiac electro-physiology, but can also be dependent on\ud the stretch and stretch-rate in the fibre direction. This fundamentally affects the mathematical problem being solved, through classification of the governing PDEs, which affects numerical schemes that can be used to solve the governing equations. We categorise contraction models into three types, and for each consider questions such as classification and the most appropriate choice from two numerical methods (the explicit and implicit schemes). In terms of mathematical classification, we consider the question of strong ellipticity of the total strain energy (important for precluding ‘unnatural’ material behaviour) for stretch-rate-independent contraction models; whereas for stretch-rate-dependent contraction models we introduce a corresponding third-order problem and explain how certain choices of boundary condition could lead to constraints on allowable initial condition. In terms of suitable numerical methods, we show that an explicit approach (where the contraction model is integrated in the timestep prior to the bulk deformation being computed) is: (i) appropriate for stretch-independent contraction models; (ii) only conditionally-stable, with the stability criterion independent of timestep, for contractions models which just depend on stretch (but not stretch-rate), and (iii) inappropriate for stretch-rate-dependent models

MULTIFUNCTIONAL POWER QUALITY CORRECTION SYSTEM

Study the system of electric power quality control based on AVI with PWM in the systems of group feed of electromechanics with the direct-current unibus

Quantum nano-electromechanics with electrons, quasiparticles and Cooper pairs: effective bath descriptions and strong feedback effects

Using a quantum noise approach, we discuss the physics of both normal metal and superconducting single electron transistors (SET) coupled to mechanical resonators. Particular attention is paid to the regime where transport occurs via incoherent Cooper-pair tunneling (either via the Josephson quasiparticle (JQP) or double Josephson quasiparticle (DJQP) process). We show that, surprisingly, the back-action of tunneling Cooper pairs (or superconducting quasiparticles) can be used to significantly cool the oscillator. We also discuss the physical origin of negative damping effects in this system, and how they can lead to a regime of strong electro-mechanical feedback, where despite a weak SET - oscillator coupling, the motion of the oscillator strongly effects the tunneling of the Cooper pairs. We show that in this regime, the oscillator is characterized by an energy-dependent effective temperature. Finally, we discuss the strong analogy between back-action effects of incoherent Cooper-pair tunneling and ponderomotive effects in an optical cavity with a moveable mirror; in our case, tunneling Cooper pairs play the role of the cavity photons.Comment: 27 pages, 7 figures; submitted to the New Journal of Physics focus issue on Nano-electromechanical Systems; error in references correcte

Экспериментальное исследование робастного управления главными приводами прокатных станов с учетом их взаимного влияния через прокатываемый металл на стенде двухмассовой электромеханической системы

The method of experimental research of robust control for rolling mills main drives with related through the rolled metal as a twomass electromechanics system for the short line and as a threemass electromechanics system for the long line on twomass electromechanics system stand are developed. The example of experimental dynamic characteristics for such system is given

Active shielding of magnetic field with circular space-time characteristic

Aim. The synthesis of two degree of freedom robust two circuit system of active shielding of magnetic field with circular spacetime characteristic, generated by overhead power lines with "triangle" type of phase conductors arrangements for reducing the magnetic flux density to the sanitary standards level and to reducing the sensitivity of the system to plant parameters uncertainty. Methodology. The synthesis is based on the multi-criteria game decision, in which the payoff vector is calculated on the basis of the Maxwell equations quasi-stationary approximation solutions. The game decision is based on the stochastic particles multiswarm optimization algorithms. The initial parameters for the synthesis by system of active shielding are the location of the overhead power lines with respect to the shielding space, geometry and number of shielding coils, operating currents, as well as the size of the shielding space and magnetic flux density normative value, which should be achieved as a result of shielding. The objective of the synthesis is to determine their number, configuration, spatial arrangementand and shielding coils currents, setting algorithm of the control systems as well as the resulting of the magnetic flux density value at the shielding space. Results. Computer simulation and field experimental research results of two degree of freedom robust two circuit system of active shielding of magnetic field, generated by overhead power lines with «triangle» type of phase conductors arrangements are given. The possibility of initial magnetic flux density level reducing and system sensitivity reducing to the plant parameters uncertainty is shown. Originality. For the first time the synthesis, theoretical and experimental research of two degree of freedom robust two -circuit t system of active shielding of magnetic field generated by single-circuit overhead power line with phase conductors triangular arrangements carried out. Practical value. Practical recommendations from the point of view of the practical implementation on reasonable choice of the spatial arrangement of two shielding coils of robust two -circuit system of active shielding of the magnetic field with circular space-time characteristic generated by single-circuit overhead power line with phase conductors triangular arrangements are given.Цель. Синтез комбинированной робастной двухконтурной системы активного экранирования магнитного поля с круговой пространственно-временной характеристикой, генерируемого одноконтурной воздушной линией электропередачи с треугольным подвесом проводов для снижения индукции магнитного поля до уровня санитарных норм и для снижения чувствительности системы к неопределенности параметров объекта управления. Методология. Синтез основан на решении многокритериальной стохастической игры, в которой векторный выигрыш вычисляется на основании решений уравнений Максвелла в квазистационарном приближении. Решение игры находится на основе алгоритмов стохастической мультиагентной оптимизации мультироем частиц. Исходными параметрами для синтеза системы активного экранирования являются расположение высоковольтной линий электропередачи по отношению к экранируемому пространству, геометрические размеры, количество проводов и рабочие токи линии электропередачи, а также размеры экранируемого пространства и нормативное значение индукции магнитного поля, которое должно быть достигнуто в результате экранирования. Задачей синтеза является определение количества, конфигурации, пространственного расположения и токов экранирующих обмоток, алгоритма работы системы управления, а также результирующего значения индукции магнитного поля в экранируемом пространстве. Результаты. Приводятся результаты теоретических и полевых экспериментальных исследований комбинированной робастной двухконтурной системы активного экранирования магнитного поля, генерируемого воздушной линией электропередачи с треугольным подвесом проводов. Показана возможность снижения уровня индукции исходного магнитного поля внутри экранируемого пространства и снижения чувствительности системы к неопределенностям параметров объекта управления. Оригинальность. Впервые проведены синтез, теоретические и экспериментальные исследования комбинированной робастной двухконтурной системы активного экранирования магнитного поля, генерируемого одноконтурной воздушной линией электропередачи с треугольным подвесом проводов. Практическая ценность. Приводятся практические рекомендации по обоснованному выбору с точки зрения практической реализации пространственного расположения двух экранирующих обмоток двухконтурной робастной системы активного экранирования магнитного поля с круговой пространственно-временной характеристикой, создаваемого одноконтурной воздушной линией электропередачи с треугольным подвесом проводов

Unbalanced load flow with hybrid wavelet transform and support vector machine based Error-Correcting Output Codes for power quality disturbances classification including wind energy

Purpose. The most common methods to designa multiclass classification consist to determine a set of binary classifiers and to combine them. In this paper support vector machine with Error-Correcting Output Codes (ECOC-SVM) classifier is proposed to classify and characterize the power qualitydisturbances such as harmonic distortion,voltage sag, and voltage swell include wind farms generator in power transmission systems. Firstly three phases unbalanced load flow analysis is executed to calculate difference electric network characteristics, levels of voltage, active and reactive power. After, discrete wavelet transform is combined with the probabilistic ECOC-SVM model to construct the classifier. Finally, the ECOC-SVM classifies and identifies the disturbance type according tothe energy deviation of the discrete wavelet transform. The proposedmethod gives satisfactory accuracy with 99.2% compared with well known methods and shows that each power quality disturbances has specific deviations from the pure sinusoidal waveform,this is good at recognizing and specifies the type of disturbance generated from the wind power generator.Наиболее распространенные методы построения мультиклассовой классификации заключаются в определении набора двоичных классификаторов и их объединении. В данной статье предложена машина опорных векторов с классификатором выходных кодов исправления ошибок(ECOC-SVM) с целью классифицировать и характеризовать такие нарушения качества электроэнергии, как гармонические искажения, падение напряжения и скачок напряжения, включая генератор ветровых электростанций в системах передачи электроэнергии. Сначала выполняется анализ потока несимметричной нагрузки трех фаз для расчета разностных характеристик электрической сети, уровней напряжения, активной и реактивной мощности. После этого дискретное вейвлет-преобразование объединяется с вероятностной моделью ECOC-SVM для построения классификатора. Наконец, ECOC-SVM классифицирует и идентифицирует тип возмущения в соответствии с отклонением энергии дискретного вейвлет-преобразования. Предложенный метод дает удовлетворительную точность 99,2% по сравнению с хорошо известными методами и показывает, что каждое нарушение качества электроэнергии имеет определенные отклонения от чисто синусоидальной формы волны, что способствует распознаванию и определению типа возмущения, генерируемого ветровым генератором

Spring search algorithm for simultaneous placement of distributed generation and capacitors

Purpose. In this paper, for simultaneous placement of distributed generation (DG) and capacitors, a new approach based on Spring Search Algorithm (SSA), is presented. This method is contained two stages using two sensitive index Sv and Ss. Sv and Ss are calculated according to nominal voltageand network losses. In the first stage, candidate buses are determined for installation DG and capacitors according to Sv and Ss. Then in the second stage, placement and sizing of distributed generation and capacitors are specified using SSA. The spring search algorithm is among the optimization algorithms developed by the idea of laws of nature and the search factors are a set of objects. The proposed algorithm is tested on 33-bus and 69-bus radial distribution networks. The test results indicate good performance of the proposed methodЦель. В статье для одновременного размещения распределенной генерации и конденсаторов представлен новый подход, основанный на "пружинном" алгоритме поиска (Spring Search Algorithm, SSA). Данный метод состоит из двух этапов с использованием двух показателей чувствительности Sv и Ss. Показатели чувствительности Sv и Ss рассчитываются в соответствии с номинальным напряжением и потерями в сети. На первом этапе определяются шины-кандидаты для установки распределенной генерации и конденсаторов согласно Sv и Ss. Затем, на втором этапе размещение и калибровка распределенной генерации и конденсаторов выполняются с использованием алгоритма SSA. "Пружинный" алгоритм поиска входит в число алгоритмов оптимизации, разработанных на основе идей законов природы, а факторы поиска представляют собой набор объектов. Предлагаемый алгоритм тестируется на радиальных распределительных сетях с 33 и 69 шинами. Результаты тестирования показывают хорошую эффективность предложенного метода