Ce mémoire de maîtrise traite de l'application de la technique de compensation série. La recherche vise le développement d'une méthode d'optimisation pour calculer le taux optimal de compensation série afin d'améliorer la performance du réseau de distribution radial. La méthode définie comme fonction objective la variation de tension sur la ligne de distribution qui devra être minimisée ainsi que des contraintes de stabilité à respecter. Ces contraintes sont basées sur le concept de stabilité en régime transitoire et permanent, elles sont : le transfert maximal de la puissance, les pertes de puissance réactive, l'oscillation de la vitesse des moteurs, le phénomène de papillotement ou clignotement, l'inversion du courant de court circuit et la résonance sous-synchrone (SSR). Toutes ces contraintes sont formulées sous forme d'équations et inéquations algébriques. La mise en ouvre numérique et les simulations sont obtenues à l'aide du logiciel Matlab/Symspowersym Les performances de la topologie du réseau de distribution à étudier sont évaluées par de nombreuses simulations.

Cette recherche a été effectuée dans le cadre du développement du langage psC, de la compagnie saguenéenne Novakod Technologies, un projet majoritairement subventionné par l'Agence spatiale canadienne, et auquel ont collaboré des chercheurs de l'Université du Québec à Chicoutimi. Le langage psC est un nouveau langage, supporté par un compilateur et un environnement intégré de développement, visant à faciliter la programmation de systèmes en temps réel, parallèles et reconfigurables. L'objectif de cette recherche était d'étudier, de réaliser et de comparer divers compromis espace-temps fondamentaux, dans le but de permettre au langage psC d'accélérer des calculs numériques habituellement réalisés par logiciel, au moyen de circuits reconfigurables, et à développer une bibliothèque d'opérateurs arithmétiques matériels, de fonctions logiques et de fonctions mathématiques répondant, dans la mesure du possible, aux besoins de psC dans le cadre de ce projet. Notre étude dresse, pour la première fois, un panorama général des mises en ?uvres d'opérateurs arithmétiques sur FPGA et apporte plusieurs constats importants. Une bibliothèque de composants arithmétiques et de fonctions élémentaires a été développée, testée, évaluée et livrée. Le développement de cette bibliothèque a donné lieu à une participation importante au déboguage et à l'amélioration des outils psC, qui étaient eux-mêmes en cours de développement. Les résultats de notre recherche nous ont permis de découvrir une architecture simple et économique pour la mise en ?uvre sérielle des opérations arithmétiques avec des opérandes et des résultats circulant bit de poids fort en tête. Cette architecture présente un intérêt pour la réalisation d'opérateurs arithmétiques à virgule flottante économiques. Nous présentons une stratégie d'analyse pour l'estimation de la puissance de calcul d'un réseau d'opérateurs massivement parallèle. Les résultats de cette étude seront repris, dans le cadre d'un doctorat, en vue de réaliser un contôleur sur puce haute-performance pour la commande de moteurs AC à induction.

Parallèlement à l'augmentation constante des coûts et l'épuisement des énergies fossiles et aux considérations environnementales, les progrès technologiques permettent maintenant de considérer l'énergie éolienne comme une alternative économique et fiable par rapport aux ressources conventionnelles. Le développement et la validation d'outils pour l'étude de sites d'implantation d'éoliennes, ainsi qu'une meilleure compréhension de la variabilité du vent est devenu un domaine de recherche en plein essor. Le vent est un phénomène aléatoire qui a de grandes variabilités autant temporelles que spatiales. Il faut donc caractériser ces variations à l'aide de lois ou modèles et essayer de déterminer l'influence des caractéristiques extérieures. Différentes lois statistiques caractérisant ce phénomène ont été étudiées. On trouve, entre autres, une caractérisation temporelle de variabilité du vent à l'aide de la loi de Weibull qui décrit la distribution statistique des fréquences de vitesses de vent et une caractérisation spatiale à l'aide de la loi de cisaillement vertical qui décrit la variabilité du vent pour différentes hauteurs. Nous avons essayé, à travers cette recherche, de mettre en évidence des corrélations permettant de déterminer les caractéristiques d'un site ne possédant pas de données de vent en le comparant à un site de référence. De plus, à l'aide de ces données et d'une étude de caractérisation topographique du site (hauteur, rugosité,...), un logiciel a été conçu. Celui-ci, fondé sur une étude des spectres de fréquence, permet de générer des vitesses numériques de vent à différentes fréquences, et même à des fréquences plus élevées que celles des données réelles issues du site étudié. Il permet également de générer des vitesses de vent pour un site pour lequel aucune donnée réelle n'est disponible, simplement à l'aide de ses caractéristiques physiques : latitude, hauteur et rugosité. Les données de vent générées pourront alors être utilisées comme entrée pour un banc d'essai éolien de 35kW. Celui-ci a pour principaux objectifs de mieux comprendre et identifier le fonctionnement d'une éolienne face à différents régimes de vent puis de dégager des améliorations en vue d'une meilleure performance des éoliennes en fonction du site sur lequel elles seront installées.

Les images sont de plus en plus utilisées dans de nombreuses disciplines (télédétection, médecine, etc.) car elles fournissent des informations précieuses sur les scènes ou les objets filmés. En médecine, depuis quelques années, les images sont devenues des éléments indispensables à l'établissement d'un bon diagnostic. Quelquefois, il apparaît qu'une image brute ne fournit pas tous les détails nécessaires à une bonne analyse, elle doit être retouchée de diverses manières : c'est le traitement des images. De nombreux algorithmes ont été mis au point pour effectuer des traitements d'images; certains présentent une complexité algorithmique élevée, ce qui fait que le temps de calcul pour traiter une image peut vite devenir exorbitant (cas des filtres, redimensionnement) dans les architectures monoprocesseurs. Afin d'accélérer le travail des radiologues dans l'analyse des images, nous avons recours au calcul parallèle. Les FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) sont des circuits électroniques parallèles qui permettent aujourd'hui de développer des applications de plus en plus performantes en vitesse d'exécution et gourmandes en ressources matérielles. Dans le cadre de notre travail de recherche, nous mettons en ?uvre, sur FPGA, quelques algorithmes de traitement d'images et nous étudions la faisabilité des traitements en temps réel (idéalement, 20 traitements par seconde ou 1 image toutes les 50 ms). Le langage de programmation que nous utilisons dans notre étude est psC. Nos travaux permettent de tester la puissance de ce langage dans le déploiement d'applications sur FPGA et ils contribuent à son amélioration.

L'objectif principal de cette recherche est d'étudier la distribution du potentiel et du champ électrique autour d'un isolateur de poste standard recouvert d'une couche semi-conductrice à fréquence industrielle, en présence de chocs de foudre et de manoeuvre sous des conditions givrantes. Les distributions sont calculées numériquement en utilisant la méthode des éléments finis (FEM), L'influence des épaisseurs et de la conductivité de la couche semi-conductrice, de la couche de glace et du film d'eau a été étudiée afin d'améliorer la performance électrique des isolateurs recouverts de glace. La minceur de la couche semi-conductrice exige un très grand nombre de mailles en raison de la frontière ouverte autour de l'isolateur. Pour réduire le nombre d'éléments, la frontière ouverte est simulée en utilisant une forme de la transformation de Kelvin. Le temps de calcul est comparé à celui avec la frontière artificielle. On observe une économie considérable de temps dans le cas de la transformation de Kelvin appliquée à un isolateur avec couche semi-conductrice recouvert de glace humide. Les résultats de simulation ont été confirmés par des expériences de laboratoire, et on a trouvé que le choc de man?uvre est le facteur limite dans la conception des isolateurs de couche semi-conductrice pour des conditions de glace, contrairement à des conditions propres (sans la présence de glace sur les isolateurs et où le facteur limite est le choc de foudre). La glace humide accumulée sur l'isolateur a très peu d'effet sur la distribution du champ électrique quand cet isolateur est soumis aux chocs de foudre. Toutefois, s'il est soumis aux chocs de man?uvre, la glace accumulée a un effet important sur la distribution du champ électrique et, par conséquent, sur le comportement diélectrique de l'isolateur. Sous chocs de foudre, l'instant du contournement se produit après la crête de l'onde de tension aussi bien pour un isolateur propre que pour un isolateur recouvert de glace humide; sous chocs de man?uvre. Par contre, cet instant se produit avant la crête de l'onde de tension pour un isolateur propre, et après celle-ci pour un isolateur recouvert de glace.

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Dans les pays nordiques comme le Canada, les pluies verglaçantes ont des effets nocifs sur les équipements des réseaux électriques. La réduction de ces effets requiert une recherche en laboratoire tout comme une analyse théorique suivie d'une simulation sur ordinateur. C'est dans cette optique que s'inscrit notre travail de recherche dont le but est de développer un modèle en 3-D de l'accumulation de glace sur un cylindre fixe représentant un conducteur de ligne. Ce modèle tente de prédire la forme de l'accumulation, car cette forme affecte le taux de collection des pluies verglaçantes d'où l'augmentation de la charge gravitationnelle. Elle affecte aussi la charge de vent sur le conducteur en considérant l'angle d'impact des gouttelettes. Le modèle émule l'écoulement du film d'eau non gelée à la surface du conducteur givré. Cette émulation se fait par la méthode du «cheminement aléatoire» qui se traduit par un cheminement aléatoire de particules liquides issues d'une discrétisation du film d'eau non gelée. Durant ce cheminement, les particules liquides gèlent ou quittent la structure par délestage. La probabilité de congélation, le paramètre de délestage et les probabilités de mouvement sont les paramètres du modèle. Les conditions atmosphériques macroscopiques qui commandent l'accumulation de glace sont l'échange de chaleur avec l'air, le taux de précipitation, l'inclinaison du conducteur de ligne, et l'angle d'impact des gouttelettes d'eau en surfusion. Une nouvelle approche, qui prend en compte la flexibilité du conducteur a été développée. L'expression des paramètres du modèle en fonction des variables macroscopiques est l'un des points forts de cette méthode. Cependant, elle possède d'autres avantages, à savoir, simuler des caractéristiques réalistes telles la rugosité de l'accumulation, la formation de glaçons.

Les lignes aériennes de transport d'énergie électrique, parcourent de longues distances et traversent en général des régions très différentes de par leur relief (topographie du terrain, altitude, etc.), leur climat (température, pression, vent, etc.), leur environnement (zones industrielles, régions côtières, etc.). De ce fait, les équipements de transport d'énergie électrique sont exposés à diverses formes et degrés de contraintes. Parmi celles-ci, la pollution et le givrage atmosphérique des isolateurs sont reconnues comme étant les facteurs majeurs à l'origine des défauts enregistrés sur les lignes aériennes. Dans ce contexte, l'amélioration de la connaissance des processus physiques fondamentaux à l'origine de l'initiation de l'arc électrique est nécessaire si l'on veut augmenter la fiabilité du transport d'énergie électrique par voie aérienne dans les régions froides. Ces investigations contribueront à la conception et à la fabrication appropriée d'isolateurs adaptées aux régions froides. Dans le cadre de cette étude, un modèle dynamique auto cohérant en courant alternatif sera présenté et discuté dans le but de simuler et de prédire le comportement de l'arc électrique à la surface d'isolateurs recouverts de glace. Ce modèle considère l'arc comme une impédance variable dans le temps, constituée d'une résistance en série avec une inductance. La résistance de l'arc durant la période de propagation, est déterminée en utilisant l'équation de Mayr. La couche résiduelle de glace non encore franchie par l'arc est remplacée par une résistance équivalente dont la conductivité surfacique est calculée en tenant compte de l'effet de l'eau de fonte. Un organigramme exhaustif a été établi pour modéliser les deux dernières étapes de la propagation de l'arc, à savoir l'établissement d'un arc partiel suivi de sa propagation. Cet organigramme incorpore une tentative d'explication du phénomène de contournement des isolateurs recouverts de glace. Le modèle répond à la variation d'un certain nombre de paramètres principaux, à savoir, la longueur de l'isolateur, la conductivité de l'eau de congélation appliquée, et le diamètre de isolateur. Plusieurs expériences ont été effectuées sur un modèle cylindrique simplifié, ainsi que sur une unité d'isolateur de poste standard, afin de corroborer les résultats de simulation. Plusieurs longueurs d'isolateur et conductivités d'eau de congélation ont été considérées au cours des expériences. Le modèle en question a été comparé aux résultats expérimentaux, et les résultats simulés reflètent d'une façon cohérente les effets de tous les paramètres principaux. Le modèle s'est avéré fiable en prévoyant les variables principales du phénomène de propagation d'arc telles que la tension critique de contournement, le courant d'arc, et la vitesse de propagation dans une certaine marge des paramètres.

La tenue diélectrique des isolateurs extérieurs est influencée par plusieurs facteurs de l'environnement. Dans les régions froides, le givrage atmosphérique est un de ces facteurs. Le dépôt de glace accumulé sur les isolateurs peut réduire leur rigidité diélectrique, causer leur contournement et, en conséquence, les pannes du service électrique. Ce problème a donné naissance à un grand nombre d'études dans plusieurs laboratoires réalisés sous tensions en AC et DC. Cependant, dans les réseaux de transport électriques, sans considérer la tension à la fréquence industrielle, les isolateurs sont soumis aux surtensions transitoires, telles que les surtensions de man?uvre provoquées par l'enclenchement et l'ouverture de lignes et quelques fois par les surtensions de foudre, causées par les décharges d'origine atmosphérique. Jusqu'ici, l'influence des surtensions transitoires dans le phénomène de contournement en conditions de givrage est plutôt méconnue, mais il semble que ces surtensions peuvent agir comme déclencheur dans le processus de contournement. D'ailleurs, au meilleur de notre connaissance, très peu d'études ont été rapportés au sujet de la performance électrique des isolateurs recouverts de glace sous tensions impulsionnelles. L'objectif principal de ce mémoire de maîtrise est d'examiner de façon expérimentale la performance électrique des isolateurs recouverts de glace sous tensions impulsionnelles (chocs de foudre et de man?uvre). En utilisant un isolateur de poste en porcelaine, un dépôt de glace a été accumulé artificiellement (en laboratoire) et la tension de contournement critique (V50) a été déterminée au moyen de la méthode de « montée et descente » décrite dans la norme CEI 60-1. Les résultats obtenus montrent que, sous chocs de foudre, l'influence de la glace dans la tension de contournement d'isolateurs est négligeable. Cependant, sous chocs de man?uvre, la tension V50 des isolateurs recouverts de glace diminue de 21% et de 36% pour les polarités positive et négative respectivement, par rapport à l'isolateur en conditions propres. Aussi, les paramètres de la glace et du milieu environnant qui affectent la tension V50 des isolateurs recouverts de glace sous tensions impulsionnelles ont été examinés dans les deux polarités de tension. Ainsi, pour l'étude de l'influence de la conductivité de l'eau d'accumulation, quatre valeurs ont été considérées: 30, 80, 160 et 250 jj,S/cm (à 20°C). Ces essais ont été réalisés à une température constante de 0°C. Dans le cas de l'étude de l'influence de la géométrie du dépôt de glace (longueur et position des intervalles d'air), 5 longueurs différentes ont été considérées : 0%, 10%, 20%, 30% 40% et 50% de la longueur totale de l'isolateur. À partir des résultats obtenus, l'intervalle d'air de longueur plus critique a été placé à trois positions différentes, soit : à coté de l'électrode haute tension, au milieu des électrodes et à coté de l'électrode de terre, à conductivité d'eau d'accumulation et température ambiante constantes pour tous les tests. D'autre part, l'effet de la température ambiante a été déterminé en considérant quatre valeurs de température : -12, -6, 0 et 5° C. Les résultats obtenus montrent que sous chocs de foudre, l'influence de la glace sur la tension de contournement des isolateurs est négligeable. Cependant, sous chocs de manoeuvre, la tension V50 des isolateurs recouverts de glace est réduite de 21% et de 36% pour les polarités positive et négative respectivement, comparée à celle obtenue pour les isolateurs propres. De plus, une valeur plus grande de la conductivité de l'eau d'accumulation, produit une réduction de la V50 de jusqu'à 42% en polarité positive et de 46% en polarité négative par rapport à V50 obtenue en conditions propres. Encore, la longueur et la position de l'intervalle d'air formé sur le dépôt de glace ont une influence directe sur la tenue diélectrique des isolateurs. Ainsi, le comportement de la tension V50 présente une courbe caractéristique de forme en « U » en fonction de la longueur de l'intervalle d'air. Aussi, la tension V50 est plus critique quand l'intervalle d'air est placé à proximité de l'électrode haute tension. D'autre part, nous avons observé qu'une température ambiante élevée peut avoir une influence plus importante sur les caractéristiques du milieu environnant que sur les caractéristiques de la glace quand le film d'eau sur la surface du dépôt de glace n'est pas important.

L'accumulation de glace sur les équipements des réseaux électriques, incluant câbles, conducteurs et isolateurs, représente l'un des problèmes majeurs rencontrés dans les régions au climat froid. En plus des problèmes mécaniques causés par les effets combinés de la glace et du vent, la glace sur les isolateurs est à l'origine d'une perte de facteur d'isolation, ce qui occasionne parfois des contournements et conséquemment, des pannes d'électricité. Bon nombre d'études en laboratoire se sont penchées sur cette problématique depuis une trentaine d'années, et particulièrement à l'UQAC depuis 25 ans. Ces études se concentrent sur plusieurs aspects du givrage atmosphérique, incluant l'observation de l'accumulation de glace dans des sites naturels, des expériences en laboratoire sur la performance électrique des isolateurs dans des conditions de glace et de neige, ainsi que des études fondamentales du contournement des isolateurs recouverts de glace. Parmi les progrès réalisés à l'UQAC, un modèle mathématique a été développé afin de prédire la tension de contournement des isolateurs recouverts de glace. Toutefois, en raison de la complexité des infrastructures requises, le modèle n'a pu être validé pour des applications d'ingénierie sur de longs isolateurs extra haute tension, recouverts de glace. L'objectif principal de cette recherche, dans le cadre d'études de 2e cycle, est celui d'étudier le phénomène du contournement sur des isolateurs extra haute tension recouverts de glace, afin d'améliorer le modèle mathématique existant, qui permettra de prédire la tension de contournement minimale de tels isolateurs. Cette étude contribuera à une meilleure compréhension du phénomène du contournement des isolateurs extra haute tension, recouverts de glace et le modèle sera un outil indispensable pour la conception d'isolateurs pour usage extérieur dans les régions froides. Trois unités d'isolateurs de poste de forme standard, tels que ceux utilisés dans les postes à 735 kV d'Hydro-Québec, ont été soumis à des tests en laboratoire afin d'en déterminer la performance électrique dans des conditions de givrage. Une série de tests a été effectuée à 2 niveaux différents de conductivité d'eau d'accumulation et 5 distances d'arc, afin de déterminer la relation entre la tension de contournement minimale des isolateurs recouverts de glace et la longueur des isolateurs, jusqu'à pleine échelle. Il a été déterminé que la VWs (tension de tenue maximale) augmente de façon légèrement non linéaire avec l'augmentation de la longueur d'arc. Aussi, la VMF (tension de contournement minimale) pour une distance d'arc de 2 m s'établit à 195 kVrms en régime de fonte et à 190 kVrms en régime de givrage, pour une conductivité d'eau d'accumulation de 30 uS/cm et une épaisseur de glace de of 15 mm, telle que mesurée sur un cylindre témoin en rotation. Ces niveaux de tension sont approximativement 7 % et 9 % plus bas que la tension de service des isolateurs, respectivement. D'après ces résultats et en utilisant un modèle à arcs multiples, un modèle mathématique amélioré a été proposé pour la prédiction de la tension de contournement minimale des isolateurs extra haute tension dans des conditions de givrage. Il y a bonne concordance entre les résultats des expériences en laboratoire et ceux de modèle amélioré. Finalement, en se basant sur l'étude présentée dans ce mémoire, plusieurs recommandations peuvent être faites en vue de recherches connexes à venir.