Cette thèse traite de la conception de systèmes électromécaniques, en particulier des machines électriques dédiées à des applications de traction. La démarche adoptée allie précision des résultats et réduction du temps de calcul du processus. A cet égard, deux thèmes ont été abordés dans cette thèse. Le premier thème concerne la modélisation de machines électriques et l’utilisation de méthodes semi-numériques. Une architecture de réseau de réluctances est proposée pour analyser les performances de machines à flux axial. Elle permet la prise en compte de l'aspect temporel et la caractéristique non-linéaire des matériaux ferromagnétiques. Des modèles basés sur la méthode des éléments finis ont été établis pour valider les résultats de modélisation. Le faible écart entre modèles numériques et semi-numériques montre le bien fondé des méthodes proposées. Des dimensionnements offrant un compromis entre précision de la solution finale et temps de calcul font l’objet du second thème de la thèse. La technique du Space Mapping est connue pour son efficacité, elle permet d'exploiter à moindre coût un modèle précis. Deux techniques qui en dérivent sont proposées en associant la modélisation par réseau de réluctances et des techniques d'optimisation. La première repose sur la modélisation de l'erreur entre des modèles de précisions différentes par une fonction à bases radiales. La deuxième intègre la correction de l'erreur dans la résolution des réseaux de réluctances en couplant les modèles linéaire et non-linéaire d'une machine électrique. / This thesis proposes contributions in design methodologies for electromechanical systems, in particularly electrical machines. The proposed strategy allies precision and reduction in simulation time. Thus, two themes were studied. The first theme concerns electromagnetic modeling by means of semi-numerical models. Reluctance’s network topology is proposed in order to analyze performances of permanent magnet axial flux machines. It can take into account the temporal aspect and the non-linearity of ferromagnetic materials. Finite element models were established in order to compare and validate the proposed modeling strategy. Thus, the small error between models (less than 5%) shows the efficiency of the models. Sizing based on optimization techniques, offering a compromise between final solution and computation time, are treated in the second theme of this thesis. Space Mapping is known as an efficient optimization technique, which enables exploiting costly models without being prohibited by computation time. Two derived techniques are proposed and applied to design the axial flux machines. The first, proposes the modeling of the error between models with different precision through radial basis function. The second embeds error correction in the magnetic equivalent circuit resolution in order to couple linear and non-linear models of an electrical machine.

Depuis quelques années de nombreux modèles de véhicules électriques et hybrides rechargeables sont disponibles à la vente. Les prévisions annoncent des niveaux de pénétration importants pour ces prochaines années. En effet, l’État français a annoncé deux millions de véhicules électrifiés pour 2020. Les véhicules électriques impactent les réseaux d’électricité en se rechargeant, c’est alors que les flux électriques dans les réseaux évoluent. Cette recharge qui induit un changement du dimensionnement du réseau est abordée dans ce manuscrit, qui s’attache à évaluer ce changement. De plus, avec le développement de la thématique des “smart grid”, les véhicules électrifiés peuvent avoir un intérêt pour la conduite du système électrique. Cette étude a pour objectif s’attachera aussi à tenter de déterminer l’équilibre entre intérêts des véhicules électrifiés dans ce contexte et difficultés (sous la forme de coûts) qu’ils pourraient rencontrer s’ils participaient à la conduite du système.L’impact des véhicules électrifiés se concentre principalement sur les réseaux de distribution d’électricité. Dans les réseaux de distribution d’électricité, les lignes et les câbles sont des infrastructures indispensables. Alors que de nombreuses études s’intéressent au dimensionnement des transformateurs du réseau d’électricité, peu d’entre elles analysent les lignes et les câbles du réseau. Une volonté de combler ce manque est alors apparue. Ce manuscrit traite la problématique du dimensionnement des conducteurs, des lignes et des câbles du réseau de distribution d’électricité. Les véhicules électrifiés peuvent également être utilisés comme moyen de stockage de l’électricité, afin d’améliorer la conduite des réseaux d’électricité. L’étude s’intéresse également à l’évaluation de l’impact sur les conducteurs de l’utilisation des véhicules électriques et hybrides rechargeables comme moyen de stockage (donc comme moyen de conduite du système). / In recent years many models of electric and plug-in hybrid vehicles are available for sale. The forecasts predict high levels of penetration in the coming years. Indeed, the French government announced two million electric vehicles by 2020. Electric vehicles impact the electric grid by recharging, changing electricity flows in the grid. Electric vehicles charging changes the manner of sizing the grid which is the topic of this manuscript. Moreover, with the development of the smart grids, electric vehicles may have an interest as actor of the electrical system. This study also focuses on trying to determine the balance between interests of electrified vehicles in this context and challenges (in the form of costs) they might encounter if they are involved in the operation of the electric system.The impact of electric vehicles mainly focuses on the distribution grid lines and cables are a major infrastructure of the distribution grid. While many studies focus on electric transformers sizing, few of them analyze the lines and cables of the grid. A desire to fill that gap then appeared. This manuscript deals with the problem of sizing lines' and cables' conductors of the electric distribution grid. Electric vehicles can also be used as electricity storage device to improve the operation of electricity networks. The study also assesses the impact on grid conductors of electric vehicles use for storage (i.e. as a means for operating the system).

Depuis quelques années de nombreux modèles de véhicules électriques et hybrides rechargeables sont disponibles à la vente. Les prévisions annoncent des niveaux de pénétration importants pour ces prochaines années. En effet, l’État français a annoncé deux millions de véhicules électrifiés pour 2020. Les véhicules électriques impactent les réseaux d’électricité en se rechargeant, c’est alors que les flux électriques dans les réseaux évoluent. Cette recharge qui induit un changement du dimensionnement du réseau est abordée dans ce manuscrit, qui s’attache à évaluer ce changement. De plus, avec le développement de la thématique des “smart grid”, les véhicules électrifiés peuvent avoir un intérêt pour la conduite du système électrique. Cette étude a pour objectif s’attachera aussi à tenter de déterminer l’équilibre entre intérêts des véhicules électrifiés dans ce contexte et difficultés (sous la forme de coûts) qu’ils pourraient rencontrer s’ils participaient à la conduite du système.L’impact des véhicules électrifiés se concentre principalement sur les réseaux de distribution d’électricité. Dans les réseaux de distribution d’électricité, les lignes et les câbles sont des infrastructures indispensables. Alors que de nombreuses études s’intéressent au dimensionnement des transformateurs du réseau d’électricité, peu d’entre elles analysent les lignes et les câbles du réseau. Une volonté de combler ce manque est alors apparue. Ce manuscrit traite la problématique du dimensionnement des conducteurs, des lignes et des câbles du réseau de distribution d’électricité. Les véhicules électrifiés peuvent également être utilisés comme moyen de stockage de l’électricité, afin d’améliorer la conduite des réseaux d’électricité. L’étude s’intéresse également à l’évaluation de l’impact sur les conducteurs de l’utilisation des véhicules électriques et hybrides rechargeables comme moyen de stockage (donc comme moyen de conduite du système). / In recent years many models of electric and plug-in hybrid vehicles are available for sale. The forecasts predict high levels of penetration in the coming years. Indeed, the French government announced two million electric vehicles by 2020. Electric vehicles impact the electric grid by recharging, changing electricity flows in the grid. Electric vehicles charging changes the manner of sizing the grid which is the topic of this manuscript. Moreover, with the development of the smart grids, electric vehicles may have an interest as actor of the electrical system. This study also focuses on trying to determine the balance between interests of electrified vehicles in this context and challenges (in the form of costs) they might encounter if they are involved in the operation of the electric system.The impact of electric vehicles mainly focuses on the distribution grid lines and cables are a major infrastructure of the distribution grid. While many studies focus on electric transformers sizing, few of them analyze the lines and cables of the grid. A desire to fill that gap then appeared. This manuscript deals with the problem of sizing lines' and cables' conductors of the electric distribution grid. Electric vehicles can also be used as electricity storage device to improve the operation of electricity networks. The study also assesses the impact on grid conductors of electric vehicles use for storage (i.e. as a means for operating the system).

L'addition de nanotubes de carbone multiparois (MWNT) dans une matrice de polyamide 12 (PA 12), électriquement isolante, permet d'augmenter les propriétés électriques vers un comportement conducteur. Cette modification est influencée par l'arrangement des MWNT en chemins de conduction qui permettent le transfert des charges électriques entre deux électrodes. La conductivité électrique des nanocomposites isotropes atteint une valeur asymptote (~10-2 S.m-1) pour des teneurs supérieures à 1,2% en masse (seuil de percolation électrique). En microinjection, les nanocomposites sont soumis à des taux de cisaillement très élevés (~104 s-1) et des gradients de températures extrêmes, qui conditionnent fortement la microstructure et les propriétés électriques de pièces mises en forme par ce procédé. Cette thèse a eu pour but d'expliquer l'influence de la vitesse de cisaillement (0,02 s-1 - 1 s-1) et la vitesse de refroidissement (3 °C.min-1) sur l'évolution des propriétés électriques du nanocomposite PA12/MWNT. L'analyse de ces propriétés a permis de déduire, à l'état fondu, l'évolution de l'arrangement de MWNT dans cette fenêtre de conditions. Dans les pièces microinjectées, nous constatons une perte complète du comportement conducteur dans la direction normale au plan d'écoulement et une chute de la conductivité dans les directions d'injection et transverse. Ces faits suggèrent alors un arrangement en forme d'agrégats faiblement orientés dans le plan d'écoulement, qui est corroboré par la très large distribution d'orientation déterminée par l'analyse en spectroscopie Raman des pièces micro-injectées. Lors du procédé de microinjection, les agrégats de MWNT seraient alors cassés dans des agrégats plus petits, mais fortement déconnectés les uns des autres, expliquant ainsi la chutedes propriétés électriques mais aussi l'observation d'une microstructure quasi isotrope à l'échelle macro et micro.

L'évolution des réseaux électriques combinés avec les réseaux et les infrastructures des technologies de l'information et de la communication a donné lieu à une nouvelle génération de réseaux appelés Réseaux électriques intelligents (Smart grids). Ces réseaux ont des exigences relativement aux architectures de communication et des services. Cette génération de réseaux requiert également la mise en œuvre de services pour leur monitoring et leur surveillance. Avec la venue des compteurs intelligents, il devient possible de faire communiquer les foyers avec un centre de contrôle et de monitoring, ce qui permet de gérer et de contrôler à distance les appareils se trouvant dans le foyer. Les réseaux intelligents offrent également la possibilité d'intégrer des énergies alternatives et renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie éolienne. Tout foyer connecté au réseau peut non seulement consommer de l'énergie provenant d'un réseau électrique comme celui d'Hydro-Québec, mais également produire de l'énergie et la rendre disponible aux autres foyers. Dans ce mémoire, nous nous sommes intéressés à plusieurs de ces aspects et nous formulons des propositions pour répondre aux nouveaux besoins crées par ces réseaux. Nous avons proposé des infrastructures de communication impliquant des réseaux sans fil et une architecture permettant de connecter les différents éléments du réseau et les équipements des foyers (appareils électriques, appareils électroménagers, etc.). Nous avons proposé plusieurs services pour effectuer le contrôle et le monitoring du réseau et des équipements des foyers à travers les compteurs intelligents. À cet effet, nous avons utilisé des services Web. Nous avons proposé une procédure d'ordonnancement des appareils électriques et électroménagers des foyers en vue de gérer leurs consommations et faire face aux situations de panne, notamment dans les chutes de tension. Nous avons également développé des services et une application pour donner accès à ces services à travers des appareils portables, notamment les téléphones mobiles intelligents. Pour permettre aux fournisseurs d'énergie de mettre à la disposition des usagers du réseau le surplus d'énergie qu'ils produisent, nous avons mis sur pied une infrastructure et des mécanismes d'échange pour la négociation de l'offre et de la demande d'énergie. Ce mécanisme utilise les agents mobiles. Ces agents sont des programmes qui voyagent à travers le réseau grâce à un protocole de routage spécifique en vue de trouver les meilleurs fournisseurs qui répondent aux demandes des foyers qui ont un besoin en énergie. Ce protocole de routage est évalué par simulation, et les résultats sont présentés et discutés dans ce mémoire, démontrant ainsi des bonnes performances. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : réseaux électriques intelligents, compteurs intelligents, monitoring et contrôle de la distribution d'énergie, gestion de la consommation électrique, ordonnancement, communication sans fil, agents mobiles.

RésuméLa République Démocratique du Congo est dotée d’un potentiel hydroélectrique estimé à 100.000MW répartis sur 217 sites, dont 2.6% du potentiel est exploité à ce jour. Malgré ce potentiel, malheureusement le taux d’accès de la population congolaise à l’électricité est de 9%, contre une moyenne africaine évaluée à 24.6%. La province du Katanga étant le poumon économique de la RDC est dotée de 24 sites pouvant produire une puissance exploitable de 1952MW, mais actuellement, seulement 4 sites sont en exploitation pour une puissance de 468MW.Suite à l’intensification d’activités industrielles dans la province du Katanga pour la production de matières premières (cuivre et cobalt essentiellement) ces dernières années et à l’accroissement de la population urbaine, la demande en énergie électrique ne fait qu’augmenter d’année en année. Le gestionnaire de réseau face à cette réalité, recourt en permanence à l’importation d’électricité depuis la Zambie pour satisfaire la clientèle. Mais malgré ce recours, la charge n’est pas totalement satisfaite, alors le gestionnaire est conduit à instaurer une politique de délestage tournant pour soulager son réseau électrique.Le but de notre thèse est l’amélioration de la fiabilité/sécurité d’approvisionnement du réseau katangais par des approches locales qui sont constituées de construction de nouvelles centrales électriques et de voir dans quelle mesure le recours au stockage peut contribuer à cette amélioration. La fiabilité du système électrique sera caractérisée par les indicateurs de fiabilité de niveaux hiérarchiques I et II. Pour atteindre notre objectif, une modélisation simplifiée, mais suffisamment détaillée, du réseau électrique sud/SNEL (Société Nationale d’Electricité) s’est avérée nécessaire, et l’application des outils de résolution des OPF (Optimal Power Flow) à ce réseau nous a permis d’estimer les indicateurs de fiabilité et de faire également l’analyse de sécurité du système. Cette analyse a servi à identifier les lignes et transformateurs candidats au renforcement du réseau.Les résultats obtenus ont montré une faible influence de l’utilisation des unités de stockage sur les indicateurs de fiabilité au niveau de la haute tension. Néanmoins des bons résultats ont été obtenus lors de l’utilisation du stockage au niveau de la distribution. Pour améliorer davantage les indicateurs de fiabilité, nos recherches présentent les perspectives sur les modèles de charge, la prise en compte d’un modèle de réseau étalé jusqu’à la moyenne tension ainsi d’une étude dynamique. SummaryThe Democratic Republic of Congo (DRC) is endowed with a hydroelectric potential estimated at 100.000MW. This potential is distributed on 217 sites, among which only 2.6% is exploited to this day. But unfortunately, in spite of this potential, only 9% of the Congolese population have access to electricity, while the African average is estimated at 24.6%. The province of Katanga, considered as the economic lung of the DRC, is endowed with 24 sites, which can produce an exploitable power of 1952MW. At present, only 4 out of the 24 sites are in exploitation, for an installed power of 468MW.These last years, the province of Katanga has encountered an intensification of industrial activities for the production of raw materials such as copper and cobalt. Furthermore, the urban population is rapidly expanding. These two factors are causes of a constant increase of the demand in electrical energy. To deal with this requirement, the electrical system operator is forced to import a part of the supply from Zambia in order to satisfy the customers. However, despite this importation, the load is not fully satisfied. The system operator must then establish a policy of rotating load shedding to relieve the network.The purpose of our thesis is the improvement of the supply reliability/safety of the Katanga network, by local approaches which are constituted of the construction of new power plants, and to see to which extent storage can contribute to this improvement. The reliability of the electrical system will be characterized by reliability indicators at hierarchical levels I and II. To reach this goal, a simplified, yet sufficiently detailed modeling of the south network/SNEL (National Company of Electricity) was necessary, and the application of OPF (Optimal Power Flow) tools to this network model allowed us estimating the reliability indicators and making the safety analysis of the system. This analysis helped identify lines and transformers that are candidates to the reinforcement of the network.The obtained results showed a weak influence of the use of the storage units on the reliability indicators at the high voltage level. Nevertheless, good results have been obtained when using storage at the distribution level. For a better improvement of the reliability indicators of the Katanga network, our research works present perspectives on the models of load, taking into account an extended network model up to the medium voltage and a dynamic study. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Les régions froides sont à la recherche de méthodes plus efficaces pour déneiger les voies de circulation et les espaces publiques afin de diminuer les accidents, la pollution et la dégradation des milieux environnants, tout en diminuant leurs budgets annuels de déneigement. Plusieurs universités et centres de recherche, pendant ces 20 dernières années ont développé des mélanges de béton électriquement conducteurs (BEC) et certains ont poussé la recherche jusqu'au développement et à l'installation de ces systèmes afin de tester leur viabilité. C'est dans l'optique d'apporter sa contribution, que L'Université Laval s'est lancée dans le projet béton chauffant dont la première phase s'est terminée en 2018 avec la création d'un système déglaçant, automatisé, en béton électriquement conducteur. Ce mémoire marque la fin de la seconde partie du projet sur les bétons chauffants à l'Université Laval lors de laquelle le système développé dans la phase 1 a été mis à l'échelle et amélioré afin de le préparer à la commercialisation. Cette mise à l'échelle s'est traduite par l'installation d'un espace de 4m² en dalles électriquement conductrices, avec un banc et un caniveau eux aussi électriquement conducteurs. L'étude de ce système a eu lieu pendant l'hiver 2019-2020 et s'est couronné par une analyse statistique des performances du système. Il est important de souligner que le mobilier et les canalisations en BEC étudiés font de ce projet le premier à proposer des applications autres que les chaussées pour un système en BEC. De plus, une formulation d'un béton conducteur ultra performant (BCUP) a été développée afin d'étendre la technologie à ce type de béton pour multiplier les options d'utilisation de ce système. Même si le mélange proposé requiert de plus amples analyses afin d'être amélioré et caractérisé, cela constitue un pas important pour l'utilisation d'un BCUP dans un système déglaçant. / Cold regions are looking for more efficient and cost-effective methods to clear snow from roads and public spaces to reduce accidents, pollution, and degradation of the surrounding environment. Over the past 20 years, several universities and research centers have developed electrically conductive concrete mixes (ECC). Some have even pushed their research to the point of developing and installing these systems to test their sustainability. With a desire to contribute to this field of research, Université Laval embarked on the heated concrete project, the first phase of which ended in 2018 with the creation of an automated de-icing system made of electrically conductive concrete. This submission marks the end of phase 2 of that heating concrete project. The system developed in phase 1 was scaled up and improved to be ready for commercialization. This scale-up phase prompted the realization of three slabs, one bench, and one gutter, all electrically conductive. The study of these ECC elements occurred during the 2019-2020 winter, more precisely from the end of January to the beginning of March and was crowned by a statistical analysis of the system's performance. It is essential to point out that this project's ECC furniture and drainage channel makes it the pioneer in proposing applications other than pavements for ECC systems. In addition, an Electrically Conductive high-performance concrete (EC-UHPC) formulation was developed to extend the technology to this type of concrete and multiply the range of options for the applications of the system. Although the proposed mix requires further analysis to be improved and characterized, this work is essential to using EC-UHPC in a de-icing system.