L'avancement de la recherche dans le développement de nouveaux types d'isolateurs plus performants destinés aux régions froides nécessite des investigations spécifiques sur les paramètres physiques et électriques qui influencent de façon directe ou indirecte la tension critique de contournement de ces isolateurs. L'accumulation de la glace sur les isolateurs modifie considérablement leurs caractéristiques diélectriques et entraîne une diminution de leur tension de tenue. En effet, la couche de glace recouvrant les isolateurs devient plus ou moins conductrice en raison de la contamination et de l'injection d'impuretés à la surface durant le processus de givrage. Pendant un réchauffement causé par l'augmentation de la température ambiante, par les décharges couronne ou encore par le courant de fuite, un film d'eau se forme à la surface de la glace. Cette couche liquide est d'une conductivité plus élevée que celle de la glace à cause des impuretés rejetées à la surface. Ce phénomène provoque une augmentation des décharges électriques ainsi que l'amorçage de l'arc de contournement et, par la suite, une coupure électrique. Des incidents graves provoqués par l'apparition de l'arc électrique sur les isolateurs des lignes et postes électriques recouverts de glace ont été rapportés dans plusieurs publications. Les chercheurs, qui ont étudié l'impact de la glace sur la fiabilité du transport de l'énergie électrique et surtout sur le contournement des isolateurs recouverts de glace, ont rapporté plusieurs cas d'incidents attribuables à la présence de la glace. La présente thèse, entreprise dans le cadre des travaux de la Chaire industrielle sur le givrage des équipements des réseaux électriques (CIGELE) de l'Université du Québec à Chicoutimi, a pour but d'étudier l'influence des caractéristiques physiques d'une chaîne d'isolateurs standards IEEE recouverts de glace sur la tension de tenue de ces derniers. L'influence de la variation du diamètre des isolateurs et de la répartition des intervalles d'air sur la tension de tenue ont été examinés en régime d'accumulation. Ainsi, les résultats obtenus montrent que la tension de tenue décroît avec l'augmentation du diamètre et varie selon la répartition des espaces d'air le long de la chaîne d'isolateurs. Cette répartition des espaces d'air le long de l'isolateur et son influence sur la tension de tenue sous les conditions de givrage ont été étudiées par la suite. On a conclu qu'une répartition symétrique des espaces d'air en bas, en haut et au milieu de la chaîne d'isolateur permet une meilleure tenue sous les conditions de givrage. Les différents résultats expérimentaux ont été ensuite utilisés pour améliorer le modèle mathématique, développé à la CIGELE, en vue de l'appliquer sur des isolateurs réels. Ce modèle mathématique tient compte de la variation de la valeur de la conductivité de la surface de l'isolateur, de la longueur de l'isolateur, de la distance d'arc et de l'effet du diamètre moyen. Enfin, des expériences supplémentaires ont été réalisées sur un cylindre givré pour corriger la condition de rallumage de l'arc utilisée par ce modèle mathématique. Ainsi, les travaux réalisés dans le cadre de ce projet ont contribué à une meilleure compréhension de l'effet de la géométrie de l'isolateur sur sa tension de tenue et à l'amélioration du modèle mathématique permettant de prédire les contournements électriques des isolateurs. De plus, ces résultats contribueront à améliorer la conception de nouveaux types d'isolateurs mieux adaptés aux conditions de précipitations atmosphériques froides.

La mise en oeuvre de systèmes de compréhension automatique de parole pouvant fonctionner dans des conditions réelles implique de reproduire certaines aptitudes de l'être humain. Outre les aptitudes à comprendre la parole même lorsqu'elle est corrompue par du bruit, nous sommes capables de tenir une conversation impliquant plusieurs interlocuteurs. Ce dernier point est lié au fait que nous identifions implicitement les interlocuteurs. Cette caractérisation du locuteur nous permet par exemple de réaliser des conversations téléphoniques en mode conférence. En plus de la reconnaissance du vocabulaire ou de l'identification du locuteur, on est également capable de distinguer les séquences de la musique (en alternance, en arrière plan, etc.) qui peuvent apparaître lorsqu'un des correspondants se place en mode attente. En partant de ce contexte, on s'est intéressé à développer un système capable d'une part de discriminer entre les séquences de Parole/Musique et d'autre part d'identifier le locuteur dans des conditions téléphoniques fonctionnant en mode conférence avec une variabilité des combinés. Autrement dit, cette thèse s'intéresse à deux sujets du domaine du traitement de la parole. Le premier sujet porte sur la recherche de nouveaux paramètres pour améliorer les performances des algorithmes qui identifient les locuteurs en mode téléphonique. Le deuxième sujet est consacré à la proposition de nouvelles approches en discrimination de la parole, de la musique et de la musique chantée. En discrimination du locuteur, on présentera une première étude visant à caractériser le locuteur par des paramètres AM-FM synchrones à la glotte, extraits à la sortie d'un banc de filtres cochléaires. L'objectif visé est de trouver de nouveaux paramètres plus robustes aux bruits et à la variabilité des combinés téléphoniques. Comme résultats, on a obtenu des scores presque similaires entre le système proposé et le système de référence. Les meilleures performances ont été enregistrées lorsque le système utilise une architecture parallèle composée de deux reconnaisseurs qui se basent respectivement sur les paramètres MFCC et AM-FM. Dans le même cadre, on s'est intéressé à proposer une nouvelle technique de modélisation qui tient compte de la dépendance temporelle entre la source d'excitation et le conduit vocal. Avec les tests de courtes durées, on a obtenu de meilleures performances en comparaison à l'approche classique. Cependant, quand on augmente la durée de test, on obtient presque les mêmes performances pour tous les systèmes proposés. En discrimination Parole/Musique, on a proposé deux systèmes, le premier utilise trois modèles paramétriques entraînés respectivement pour la parole, la musique et la musique chantée sans effectuer aucune normalisation sur les vecteurs paramètres. Sur une durée test de 100 ms, on a obtenu un taux de reconnaissance en moyenne de 93,77%. Le deuxième système ne requiert aucun entraînement et se base simplement sur un seuil pour effectuer la classification.

La cuve d'électrolyse est l'élément central dans la réduction de l'aluminium. En dépit des systèmes de contrôle automatique appliqués sur l'opération des cuves, une quantité significative d'informations sur leurs états n'est pas encore utilisée dans le processus décisionnel. D'ailleurs, la qualité de décision dépend bien souvent de l'opérateur responsable. Ce système expert à base de règles à deux niveaux est construit à partir de l'expertise disponible des opérateurs et de celle des ingénieurs du procédé d'électrolyse. Ce système est conçu pour diagnostiquer autant les cuves de type général que celles de types particuliers. De plus, il peut fonctionner en mode autonome tout en utilisant des données d'entrées locales à la station de travail ou en mode réseau en utilisant les données du procédé réel comme valeur d'entrée. Dans l'architecture réseau, le procédé réel peut être remplacé par un simulateur de cuve (un modèle mathématique) utilisant des mécanismes de transfert d'information semblable au système d'acquisition de données des procédés en temps réel. Cela permet de tester explicitement les tâches du système expert sur la surveillance du procédé et ses alarmes. L'agencement a comme objectif de proposer une aide aux opérateurs pour créer des analyses détaillées de l'état des cuves, de détecter la présence de défaut dans le procédé, de faire l'analyse de tendance et de proposer l'affectation de cible à long terme. Il peut également être présenté à l'ingénieur de contrôle comme référence pour le réglage de points de consigne sur certains régulateurs pertinents. L'architecture de la base de connaissance est conçue de manière à permettre la distribution de l'application aux divers types de cuves afin de simplifier la mise à jour éventuelle du système. C'est pour cette raison que la structure de la base de connaissances et la stratégie de raisonnement sont conçues avec des caractères uniques. Cette thèse fournit l'ensemble de la connaissance saisie au sujet du procédé d'électrolyse de l'aluminium et des secteurs appropriés. Celle-ci comprend la connaissance générale du domaine pour l'ingénierie cognitive aussi bien que la connaissance spéciale pour les types particuliers de cuves. Elle décrit également la construction du système expert et montre quelques exemples accompagnés de discussions détaillées sur différents cas de diagnostique.

Dans les régions froides et montagneuses, la présence d'une pression atmosphérique plus faible ainsi que la présence de glace atmosphérique peuvent diminuer la performance électrique des isolateurs extérieurs utilisés dans les réseaux de transport d'énergie. Cette diminution de la performance électrique peut mener à des contournements d'isolateurs pouvant entraîner des interruptions partielles, voire totales, de la distribution électrique. Cette thèse a donc pour but d'étudier les processus et les mécanismes fondamentaux des contournements électriques d'isolateurs recouverts de glace polluée dans des conditions de pression atmosphérique faible. Cette étude contribuera à la compréhension du phénomène de contournement en haute altitude observé sur surface de glace polluée, au développement d'un modèle numérique de prédiction de la tension de contournement des isolateurs recouverts de glace et à la détermination des niveaux d'isolation externe des réseaux de distribution dans les régions froides en haute altitude. Pour mener à bien cette recherche, deux modèles physiques de glace ont été utilisés: un échantillon de glace de forme triangulaire et un isolateur réel court recouvert de glace en régime humide. Une série d'études expérimentales systématiques a été effectuée à l'aide d'une chambre de basse pression utilisée à l'intérieur d'une chambre climatique aux laboratoires de la chaire industrielle CIGELE à l'UQAC. Le processus de contournement sous basse pression atmosphérique sur surface de glace a été étudié en détail, et les paramètres associés ont été enregistrés en utilisant une caméra à haute vitesse et un système d'acquisition. Ces paramètres incluent la tension appliquée, le courant de fuite, le temps de contournement, la longueur d'arc et le rayon de racine d'arc. Par la suite, l'influence des facteurs spécifiques tels que la pression atmosphérique, le type et la polarité de la tension appliquée, la conductivité de l'eau formant la glace ainsi que le profil de l'isolateur sur les performances de contournement des deux modèles physiques utilisés ont été déterminés, ainsi que leur influence sur les exposants m (la valeur de m indique le degré de l'influence de la pression atmosphérique sur la tension de contournement) correspondants à chaque modèle. En utilisant une électrode de mesure, les caractéristiques de tension-courant de l'arc électrique se propageant à la surface de la glace en condition de basse pression atmosphérique ont été étudiées sous des tensions CC et CA. Les constantes A, n d'arc ainsi que la chute de tension aux électrodes ont été déterminées pour des conditions diverses. L'étude des résultats expérimentaux et les analyses théoriques ultérieures ont permis de proposer les mécanismes physiques spécifiques à la propagation de l'arc à la surface de la glace. Ces mécanismes physiques se traduisent par : l'ionisation thermique de l'air devant le pied de l'arc entraînant un mouvement de l'arc; la force électrostatique avec un effet auxiliaire d'entraînement de la propagation de l'arc et enfin, le claquage électrique ne se produisant que pendant le saut final du contournement. De plus, une diminution de la tension de contournement a aussi été observée dans le cas des isolateurs recouverts de glace en condition de haute altitude. Ainsi, les quatre propositions d'explication de ce phénomène sont les suivantes: une diminution des caractéristiques de gradient de tension-courant d'arc, une augmentation de la densité du courant dans le pied d'arc, une diminution de la chute de tension des électrodes et finalement, les phénomènes d'arc flottant. Basées sur les résultats et les déductions de cette étude, plusieurs recommandations ont été proposées pour de futures études.

Un modèle mathématique d'un four de coulée d'aluminium est utilisé afin de simuler le four réel. L'algorithme de calcul est construit en tenant compte des différents modes opératoires rencontrés sur un tel four. Le modèle mathématique de la stratégie de contrôle est bâti à l'aide d'un logiciel de programmation d'un automate programmable industriel. La stratégie est d'abord vérifiée et testée sur le modèle mathématique du four en laboratoire puis testée sur un vrai four en milieu industriel. Une stratégie de contrôle proportionnel et intégral est présentement appliquée au four. La modification de cette stratégie de contrôle est faite de façon à créer une auto correction de l'un des paramètres de contrôle (Gain proportionnel, Kp) de façon à modifier celui-ci en fonction d'une relation entre la température du métal et celle du toit du même four, (gain auto adaptatif). La validation expérimentale du contrôle est faite pour un four d'aluminium basculant de quatre-vingt dix (90) tonnes. Finalement, la stratégie de contrôle auto adaptative est utilisée pour la recherche d'un mode opératoire plus court visant l'atteinte d'une température désirée pour l'étape suivante opérationnelle, la coulée. Par la suite, une fonction de coût à minimiser, définie comme le temps d'atteinte plus court d'une température cible aura pour effet d'augmenter la productivité du four. Claude Fillion, étudiant Rung Tien Bui, dir. de recherche Jean Perron, co-dir. de recherche

L'objectif principal de cette recherche était de calculer les distributions du potentiel et du champ électrique le long d'un isolateur de poste standard recouvert de glace accumulée en régime humide. En particulier, cette recherche visait à accroître les connaissances sur les phénomènes précédant les contournements électriques des isolateurs de poste qui se produisent généralement en période de fonte. Comme il était très difficile de mesurer de façon précise la distribution du potentiel et surtout du champ électrique le long d'un isolateur de poste glacé, l'utilisation d'une méthode numérique par l'intermédiaire d'un logiciel commercial s'est avérée être une des meilleures solutions compte tenu de la difficulté des mesures. À cet effet, la Méthode des Éléments Finis de Frontière était la mieux adaptée aux contraintes imposées par le problème. De plus, cette méthode numérique avait été appliquée avec succès dans le calcul du potentiel et du champ électrique autour des isolateurs pollués dont le comportement électrique est semblable de celui des isolateurs recouverts de glace. Par conséquent, des simulations numériques ont été entreprises en 2-D et 3-D. Les simulations 2-D ont servi principalement de base et de soutien aux simulations tridimensionnelles puisqu'il a fallu commencer par une modélisation simple de l'isolateur de poste recouvert de glace compte tenu du fait qu'il n'existait pas, à notre connaissance, d'études numériques portant sur le sujet de cette recherche. La modélisation 2-D de l'isolateur recouvert de glace s'est faite suivant le plan de symétrie séparant l'isolateur et le dépôt de glace en deux parties égales puisqu'il a été supposé que la glace s'accumulait sur la moitié de l'isolateur. Ainsi, les simulations 2-D ont permis de mettre en évidence l'influence d'un film d'eau conducteur et de sa conductivité, l'influence de la position d'un intervalle d'air le long de l'isolateur, l'influence de la longueur de l'intervalle d'air et la présence d'un arc électrique partiel le long d'un intervalle d'air sur les distributions du potentiel et du champ électrique le long d'un isolateur de poste recouvert de glace. Cependant, la comparaison des résultats numériques aux résultats expérimentaux a démontré que la modélisation 2-D n'était pas tout à fait adaptée à la géométrie de l'isolateur puisque l'erreur relative moyenne était d'environ 22,5 %, d'où la nécessité d'effectuer les simulations en 3-D afin d'améliorer la précision des résultats. Pour les simulations 3-D et pour des fins de simplification, il a été supposé que la glace s'était accumulée sur la totalité de l'isolateur, c'est-à-dire sur 360°. Cette considération faite, la modélisation d'une portion de 15° de l'isolateur de poste recouvert de glace a suffi à simuler le comportement général de ce dernier. La comparaison des résultats numériques aux résultats expérimentaux ont permis de démontrer la validité du modèle tridimensionnel. Ainsi, une erreur relative moyenne entre les résultats expérimentaux et numériques de 2,6 % a été obtenue démontrant ainsi la fiabilité et la pertinence de la M.E.F.F dans la prédiction de la distribution du potentiel et du champ électrique le long d'une géométrie aussi compliquée qu'est un isolateur de poste recouvert de glace. Les simulations 3-D pour une période d'accumulation et pour deux périodes de fonte ont été réalisées d'après les observations expérimentales réalisées en chambre climatique et à partir desquelles les différents modèles ont été élaborés. De plus, l'étude de l'influence des intervalles d'air ainsi que la présence d'un arc électrique partiel sur la distribution du potentiel et du champ électrique a été entreprise. Les simulations d'une période d'accumulation ont permis de démontrer que la position des intervalles d'air était principalement déterminée par la distribution du potentiel et du champ électrique le long de l'isolateur de poste propre. En effet, pour l'isolateur propre, une chute de tension importante a été observée le long des trois premières jupes situées près de l'électrode H.T, c'est-à-dire exactement à l'endroit précis où se sont formés les intervalles d'air. De plus, ces simulations ont permis de mettre en évidence l'influence du film d'eau ainsi que la quantité en eau servant à l'accumulation qui est principalement responsable de la création de l'intervalle d'air situé entre la dernière jupe et l'électrode à la terre. En période de fonte, la présence d'un film d'eau très conducteur à la surface du dépôt de glace entraîne une forte chute de tension le long des différents intervalles d'air. Pour de fortes conductivités du film d'eau, environ 96 % de la tension appliquée se retrouve aux bornes des différents intervalles d'air et ce, indépendamment de leur nombre et de leur longueur. Cependant, plus la longueur est importante, plus le champ électrique moyen le long des intervalles d'air, Egm, diminue. Lorsque la chute de parties de glace survient, cela modifie considérablement les distributions du potentiel et du champ électrique le long de l'isolateur glacé. En comparant les deux périodes de fonte simulées, on a pu observer que le nombre d'intervalles d'air présents après la chute de glace avait un rôle important dans le processus de redistribution de la tension appliquée le long des intervalles d'air, pouvant ainsi inhiber ou provoquer le contournement de l'isolateur. Cette remarque est aussi valide dans le cas où un arc électrique partiel est présent le long d'un des intervalles d'air. Pour un dépôt de glace présentant deux intervalles d'air situés respectivement près des électrodes, la position d'un troisième intervalle d'air intercalé entre ces deux derniers n'a pas d'influence sur le champ électrique moyen Egm. C'est uniquement la chute de tension le long de chaque intervalle d'air qui se modifie en fonction de la position du troisième intervalle d'air. De plus, il a été démontré que pour une même distance d'arc répartie sur un, deux et trois intervalles d'air, le champ électrique moyen le long des intervalles d'air, Egm, variait peu.

Cette thèse examine le bruit de photon lors de la détection d’impulsions provenant d’un peigne de fréquences. En premier lieu, nous faisons abstraction du mécanisme physique produisant le bruit de photon, réduisant son effet à celui d’une source de bruit additif non-stationnaire (avec des statistiques variables dans le temps). Ce modèle de traitement de signal est ensuite utilisé dans l’analyse de deux expériences importantes pour l’utilisation d’un peigne de fréquence comme mécanisme de compteur de fréquence dans une horloge optique : la conversion du train d’impulsions optiques en un train d’impulsions électriques, et le battement hétérodyne entre un peigne de fréquences et un laser à onde continue. Nous démontrons en premier lieu que le bruit de photon lié à la photodétection produit principalement du bruit d’amplitude, et une quantité presque négligeable de jigue aléatoire de temps sur le signal électrique détecté. Des résultats expérimentaux viennent confirmer nos prédictions théoriques. Nous explorons ensuite les limites de ce mécanisme en considérant la physique de la photodétection, ce qui révèle un étalement du temps de transit qui peut affecter la jigue aléatoire produite par cette conversion. Dans un deuxième temps, nous démontrons que la nature pulsée du peigne de fréquences peut être utilisée pour donner un rapport signal-sur-bruit plus élevé que celui qui est prédit en considérant seulement le battement d’un seul mode du peigne avec le laser à onde continue. La première technique développée, le GATOR, rejette une grande partie du bruit de photon produit par le laser à onde continue afin d’améliorer le rapport signal-sur-bruit lorsque la puissance du peigne est faible. Avec cette technique, nous démontrons un rapport signal-sur-bruit 100 fois plus élevé que la limite en admettant l’utilisation d’un seul mode. Nous démontrons ensuite un raffinement de cette technique qui utilise le glissement de fréquence de l’impulsion optique afin d’utiliser efficacement tous les photons du peigne dans une bande passante déterminée. Cette technique nous a permis de produire un battement avec le plus grand rapport signal-sur-bruit parmi les résultats dans la littérature, 68.3 dB, obtenu en normalisant dans une bande passante commune de 100 kHz. / This thesis is a study of shot noise in the photodetection of pulses from a frequency comb. We first make abstraction of the physical mechanism of shot noise to reduce its effects to that of an additive, non-stationary (meaning with time-varying statistics) noise source. This signal processing model is then used to analyze two experiments of importance for the operation of optical clockwork based on frequency combs: the conversion of the optical pulse train into an electrical pulse train by a photodetector, and the heterodyne (or beating) experiment between a frequency comb and a continuous wave laser. For the detection of the optical pulse train, we show that photodetection shot noise yields mostly amplitude noise and vanishingly low timing jitter on the electrical signal. Experimental results confirm our theoretical predictions. We then explore the limits of this jitter when considering practical photodetection physics. This reveals a transit time spread parameter that can affect the jitter produced by this conversion. Next, we turn our attention to the heterodyne experiment. We show that the pulsed nature of the frequency comb can be exploited in different schemes to yield higher signal-to-noise ratio (SNR) that is predicted by the use of the beating of a single comb mode with the continuous wave laser. The first technique that we develop, the GATOR, gates out shot noise from the continuous wave, and improves the SNR in the case of low comb power. Using this technique, we have demonstrated a factor of 100 higher SNR than the single-mode limit. We then show a further refinement of the technique which uses chirping of the optical pulse to effectively use all the available photons from the comb in a given bandwidth. This technique enabled us to produce the beating with the highest SNR reported in the literature of 68.3 dB, when normalizing to the common detection bandwidth of 100 kHz.

Les fibres à cœurs multiples sont une avenue intéressante pour répondre à la demande croissante des taux de transferts de données via la fibre optique. Pour que cette approche soit réalisable, plusieurs composants multicoeurs seront nécessaires dont des amplificateurs pour permettre la transmission sur de longues distances. Le but de ce mémoire est de concevoir, fabriquer et tester un amplificateur à cœurs multiples dopés à l’erbium (MC-EDFA). D’abord, la théorie de base reliée à l’opération des amplificateurs à fibre dopées à l’erbium (EDFA) sera présentée et expliquée. Avec ces notions théoriques, un outil de simulation permettant de simuler les performances d’un EDFA a été développé et implémenté dans MATLAB. Pour établir un protocole expérimental et se familiariser avec les fibres dopées à l’erbium, un amplificateur standard à un seul cœur, dont les paramètres ont été définis à l’aide du simulateur, a été fabriqué avant de procéder à la fabrication de l’amplificateur à cœurs multiples. Une caractérisation complète de cet amplificateur a été faite. Les résultats de cette caractérisation seront présentés et comparés à des simulations pour valider du même coup l’outil de simulation. Le mémoire se poursuivra par la présentation du design et de la fabrication d’un MC-EDFA à sept cœurs. Les paramètres des cœurs sont les mêmes que ceux de l’EDFA caractérisé auparavant. Donc, la caractérisation de l’EDFA aura aussi servi à définir les paramètres des cœurs du MC-EDFA. L’approche utilisée pour multiplexer les signaux dans la fibre, qui a été un obstacle majeur à la prise de données expérimentales, sera ensuite présentée. Pour finir, les mesures expérimentales prises sur les sept cœurs seront présentées pour évaluer les performances du MC-EDFA. Bien que le MC-EDFA possède une double gaine permettant d’injecter la pompe dans la gaine interne, toutes les données expérimentales ont été prises avec la pompe injectée directement dans chaque cœur. Des difficultés techniques, qui seront expliquées dans le dernier chapitre, ont rendu impossible la prise de mesures avec un schéma de pompage dans la gaine.

Le sujet de ce mémoire porte sur l'étude du contrôle non-destructif de structure de béton renforcé par collage de CFRP (carbon fiber reinforced polymer) par shearographie et thermographie active couplées. La méthode d'excitation utilisée conjointement lors de la mise en œuvre de ces deux méthodes est un rayonnement thermique conditionné temporellement par un signal carré. L'observation du champ des températures de surface et des déplacements hors plan de la surface permet la détection et la caractérisation de défauts. Dans un premier temps, des tests de faisabilité ont été conduits pour valider si l'utilisation d’une contrainte thermique de type créneau autorisait des mesures shearographiques (cela ayant été déjà validé dans le cas de la thermographie infrarouge active). Cette série de test s’étant avérée concluante, une étude numérique par modélisation aux éléments finis a été réalisée sous Comsol®. Cette étude numérique a permis de mieux appréhender les résultats obtenus expérimentalement mais aussi de conduire une étude de l’influence de différents paramètres. Des outils d'analyses ont été développés et ont permis de mettre en évidence, entre autre, qu'une évaluation quantitative des défauts était possible.

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