Le travail de recherche présenté dans cette thèse est consacré à la commande non linéaire associée à la commande prédictive en temps continu pour la machine synchrone à aimants permanents. Cette machine est connue pour sa grande puissance massique, ce qui lui confère une place importante dans des applications embarquées. Cependant, son modèle multivariable et non linéaire, ces paramètres qui peuvent varier dans le temps et sa dynamique rapide rendent sa commande plus compliquée. Le défi majeur de notre travail de recherche est de concevoir une loi de commande pour la machine synchrone à aimants permanents plus performante au niveau de la poursuite de trajectoires, du rejet de perturbations, de la stabilité, de la robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques, du respect des contraintes physiques et du temps de calcul, et ce, tout en conservant l'aspect non linéaire. Dans ce cadre, la commande prédictive se présente alors comme une solution idéale. Toutefois, les contrôleurs prédictifs non linéaires conçus à partir du modèle à temps discret requièrent un temps de calcul important, ce qui limite leurs applications à des systèmes non linéaires à dynamique lente. Le développement des nouvelles techniques de commande prédictive non linéaire basées sur le modèle à temps continu a permis de réduire considérablement le temps de calcul. Parmi ces techniques, l'utilisation de l'expansion en séries de Taylor pour concevoir un modèle de prédiction à partir du modèle à temps continu. Les contrôleurs obtenus sont alors analytiques et faciles à implanter sur des processeurs numériques de signaux. Cependant, il est connu que cette stratégie souffre du manque de robustesse vis-à-vis des perturbations externes et des imperfections du modèle. À cet effet, nous avons proposé un observateur permettant d'estimer toutes les perturbations qui peuvent affecter la régulation des sorties. La combinaison de la commande prédictive non linéaire avec l'observateur de perturbations permet de garantir la robustesse par rapport à la variation de tous les paramètres de la machine et à celle du couple de charge. D'un autre côté, il arrive fréquemment que les variables manipulées soient limitées par des blocs de saturation. En effet, la prise en compte des blocs limiteurs dans la conception des estimateurs de perturbation conduit systématiquement à l'apparition d'un schéma anti- saturation dans la boucle de commande. Nous proposons, de plus, une nouvelle loi de commande prédictive non linéaire permettant d'assurer la robustesse de systèmes non linéaires, et ce, en s'affranchissant de l'utilisation des estimateurs de perturbations. Pour chaque type de commande, deux variantes sont proposées. Une commande directe pour le contrôle de la machine avec la vitesse de rotation et la composante directe du courant comme sorties, et une commande en cascade basée sur l'imbrication d'une boucle interne de courants et une boucle externe de vitesse. La validation expérimentale de ces lois de commandes non linéaires a permis de tester leurs performances réelles en matière de suivi de trajectoires, de robustesse et de respect des contraintes électromagnétiques, et d'approuver la faisabilité et l'originalité de l'approche. Nous pensons que ce travail de recherche contribuera d'une façon non négligeable à l'avancée de la recherche dans le domaine de la commande prédictive non linéaire des machines électriques.

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 contraintes. Parmi celles-ci, la pollution, la neige fondante et le givrage atmosphérique des isolateurs sont reconnues comme étant les facteurs majeurs à l'origine des défauts enregistrés sur les lignes aériennes, et apparaissent ainsi comme des facteurs de très grande importance dans la qualité et la fiabilité du transport d'énergie. Les isolateurs peuvent en effet se recouvrir de poussière (faiblement conductrice mais hygroscopique), de glace atmosphérique ou de neige fondante. Des arcs électriques peuvent prendre naissance dans certaines conditions, et se développer jusqu'à provoquer le contournement total de l'isolateur. C'est ainsi que dans le cadre de ses activités visant à accroître les connaissances sur les processus à l'origine de l'initiation des décharges à l'intérieur de la neige et leurs développement en étincelle/arc de rupture, la Chaire Industrielle CRSNG/Hydro-Québec/UQAC sur le givrage des équipements des réseaux électriques (CIGELE) a entrepris un vaste programme de recherche basé sur l'étude et la modélisation du contournement des isolateurs recouverts de neige. L'objectif principal consiste à établir un modèle mathématique capable de prévoir la tension de contournement à la surface des isolateurs recouverts de neige fondante. Il s'agit-là d'un projet important pour la conception appropriée des isolateurs destinés aux régions froides. La comparaison des résultats obtenus par le modèle mathématique avec ceux obtenue expérimentalement montre une très bonne concordance.

11 RESUME L'avancement de la recherche dans le développement de nouveaux types de capteurs plus performants destinés aux régions froides, capables de mesurer des épaisseurs d'une accumulation de glace sur une surface pour pouvoir activer des systèmes de déglaçage adéquats est nécessaire afin d'accroître la fiabilité des réseaux de transport d'énergie sous des conditions de givrage atmosphérique. Dans ce contexte, l'utilisation des capteurs ultrasoniques est indispensable compte tenu de leur possibilité de mesurer des épaisseurs importantes d'une accumulation. Le présent mémoire, entrepris dans le cadre des travaux de la chaire de recherche du Canada sur l'ingénierie du givrage des réseaux électriques (INGIVRE) à l'Université du Québec à Chicoutimi, a pour but de contribuer au développement d'un capteur ultrasonique capable de mesurer ponctuellement l'épaisseur d'une accumulation de glace sur une surface et de vérifier leur pouvoir de discrimination entre les différentes précipitations froides accumulées. Les résultats expérimentaux obtenus ont montré que la propagation des ultrasons dans les milieux solides diffèrent par rapport aux milieux liquides suivant leurs caractéristiques (densité, formation du milieu, vitesse du son, etc.). De plus, la présence de bulles d'air dans une couche de glace ou de givre modifie considérablement la réponse du capteur, ce qui expliquerait la réflexion de l'onde ultrasonore à l'interface de deux milieux. Ainsi, l'adjonction d'une couche de plexiglas entre le transducteur ultrasonique et le milieu accumulé a permis de mesurer de faibles épaisseurs d'une accumulation, de discriminer entre les différents types d'accumulations et de l'utiliser comme une référence pour la mesure des épaisseurs de différents milieux accumulés sur une surface. Nous avons conclu que l'utilisation d'un transducteur à faible coefficient de surtension est préférable car il permet une bonne discrimination entre les différents échos. De plus, il permettra de mesurer de faibles épaisseurs d'une accumulation sur une surface. Ainsi, les travaux réalisés dans le cadre de ce projet ont contribué à une meilleure compréhension de l'effet des ultrasons et de leur propagation dans les différents milieux accumulés (la glace, le givre et l'eau). De plus, ces résultats contribueront à améliorer la conception de nouveaux types de capteurs ultrasoniques, mieux adaptés aux surfaces cylindriques pour pouvoir mesurer la distribution d'une précipitation froide sur une surface.

Une machine asynchrone pilotée par un contrôleur vectoriel se comporte comme une machine à courant continu à excitation séparée, où le couple et le flux sont découplés et contrôlés indépendamment, permettant ainsi d'obtenir une bonne précision de régulation et de hautes performances dynamiques. Cependant, la commande vectorielle présente l'inconvénient de nécessiter l'emploi d'un capteur de vitesse; ce qui impose un surcoût et augmente la complexité des montages. De plus cette commande fait intervenir la résistance du rotor, et la variation de ce paramètre pourrait fausser le découplage entre le flux et le couple et, par le fait même, entraînerait la détérioration des performances. L'objectif de cette thèse est la mise en oeuvre d'une commande de haute performance et sans capteur pour une machine asynchrone. La commande est réalisée dans un système de coordonnées lié au vecteur flux rotorique. Pour un fonctionnement sans capteur, la vitesse et le flux rotorique sont estimés à partir seulement des grandeurs statoriques mesurables : courants et tensions. Le problème de l'estimation simultanée des états et des paramètres est résolu en recourant à un modèle mathématique de la machine établi dans un référentiel approprié. Ceci nous a permis de mettre en ?uvre un algorithme inédit d'estimation capable d'obtenir des estimés exacts. Pour l'atteinte des objectifs recherchés, deux approches ont été utilisées. La première est basée sur le fait que la dynamique du mode mécanique est beaucoup moins rapide que celle des modes électriques. En d'autres termes, la vitesse mécanique varie beaucoup moins vite que les états électriques de la machine. Le taux de variation de la vitesse peut donc être considéré nul lors de l'élaboration du modèle de la machine utilisé pour la mise en ?uvre de l'algorithme d'estimation. Ceci a permis d'obtenir une nouvelle variable qui est fonction du flux rotorique et de la vitesse de rotation et une nouvelle formulation des équations régissant le fonctionnement de la machine. Tout d'abord, nous avons mis au point un algorithme d'estimation de la vitesse pour un contrôleur vectoriel indirect en observant la nouvelle variable ci-haut mentionnée et en utilisant la commande de flux. Il s'est avéré que les résultats ne sont pas satisfaisants dans le domaine des vitesses réduites. Pour palier à ce problème, nous avons utilisé, conjointement avec l'observateur de la nouvelle variable, un estimateur de flux établi à partir du modèle tension de la machine; et les résultats obtenus sont très concluants. Finalement, nous avons mis au point un autre estimateur inédit de le flux en utilisant une nouvelle formulation des équations de Blaschke conjointement avec l'observateur de la nouvelle variable. La deuxième approche tient compte du couplage entre le mode mécanique et les modes électriques; ce qui est en réalité vrai pour les machines de petites puissances. La vitesse de rotation et la résistance du rotor sont estimées simultanément, sans l'injection d'aucun signal externe, en utilisant le filtre de Kalman d'ordre réduit. Les résultats obtenus s'avèrent très satisfaisants tant en régime transitoire qu'en régime permanent. L'estimation simultanée de la vitesse et de la résistance du rotor a longtemps été considérée impossible par plusieurs chercheurs oeuvrant dans le domaine des entraînements régulés. Ce que nous avons réalisé constitue donc une contribution majeure au domaine des entraînements à vitesse variable par machines asynchrones.

Dans les conditions humides, l'avènement de couronne sur les lignes de transmission haute tension pourrait aboutir à la vibration des conducteurs. Ce type de vibration, connu comme "Vibration induite par effet de couronne", peut conduire à la fatigue des conducteurs et leurs éléments de support. Il a été établi que la présence intermittente de la charge d'espace de couronne et du vent ionique sont les causes principales de ce phénomène. L'objectif principal de ce mémoire de maîtrise est la simulation numérique et expérimentale sur deux conducteurs courts, l'un lisse et l'autre toronné. Pour la partie expérimentale, notre approche est basée sur un modèle physique déjà employé dans les travaux précédents du GRIEA "Groupe de Recherche de l'Ingénierie de l'Environnement Atmosphérique". Ce modèle utilise un conducteur placé au centre d'un cylindre en grillage métallique. Ce dispositif a permis d'étudier l'influence des différents facteurs sur les vibrations des conducteurs haute tension placés sous la pluie artificielle. Les résultats des simulations expérimentales seront appliqués au modèle numérique en vue d'effectuer les simulations numériques. La méthode des éléments finis a été utilisée pour développer le modèle numérique. En vue de valider un modèle pratique avec les résultats expérimentaux, deux modèles numériques ont été développés. Le premier modèle, considéré comme modèle de base est développé pour un conducteur lisse, alors que le deuxième, appliqué au conducteur toronné, a pour but de compléter le modèle de base. Les entrées pour ces deux modèles numériques sont appliquées au logiciel COSMOS et les simulations ont été exécutées. Les forces impliquées dans la constitution des gouttes d'eau et leur éjection d'un conducteur haute tension seront modélisées numériquement en utilisant les résultats des travaux de recherches précédents et en sélectionnant la meilleure combinaison de ces forces. Les résultats expérimentaux sont utilisés pour évaluer la précision des résultats numériques ainsi que leur validation.

Les événements de givrage atmosphérique de janvier 1998, au sud du Québec et à l'est de l'Ontario, ont clairement démontré la vulnérabilité des structures aériennes face à ce phénomène atmosphérique ainsi que la nécessité d'améliorer nos connaissances actuelles dans ce domaine. Dans cette perspective, il est important de comprendre ce phénomène par l'analyse des événements de givrage atmosphérique antérieurs et, si possible, de les modéliser puis de les prédire. Cela permettra aux compagnies d'électricité de mieux dimensionner les équipements des réseaux aériens et d'établir des normes d'alerte. La présente recherche, effectuée dans le cadre de la Chaire Industrielle CIGELE, a pour but d'analyser les événements passés enregistrés par le réseau de mesure SYGIVRE d'Hydro-Québec et d'effectuer une analyse spatiale de la distribution des tempêtes de givrage atmosphérique (au sens large du terme, c'est-à-dire pour toute intensité de précipitation) dans les différentes régions du Québec. Pour ce faire, nous disposons de la base de données de givrage SYGIVRE qui couvre une période d'observations de 8 ans sur un total de 23 stations et qui est basée les mesures d'un appareil développé par Hydro-Québec, appelé givromètre (ice rate meter). Nous utiliserons aussi une autre source de données sur le givrage fournie par Hydro-Québec (PIM) qui couvre une période d'observations de 21 ans sur un total de 180 stations déployées dans toute la province et qui repose sur des mesures délivrées par des glacimètres (passive ice meter). L'analyse exploratoire des événements de verglas et de givre contenus dans la base de données SYGIVRE constitue la première étape de l'étude. Cette étude exploratoire permet de faire ressortir les caractéristiques propres à chaque paramètre du réseau SYGIVRE. La base de données sur les PIM a servi de support de validation aux études effectuées sur la base de données SYGIVRE puisque la période d'observations de la première est beaucoup plus grande mais que la précision est moindre. Pour ne pas créer de biais dans la comparaison entre les deux bases de données, seules les stations du réseau de PIM géographiquement proches de celles du réseau SYGIVRE, ont étés retenues. Cela permet d'avoir deux réseaux de stations sensiblement identiques pour ce qui est de la couverture géographique du territoire étudié. La notion d'intensité pour un processus de Poisson non homogène a été introduite dans l'étude afin d'évaluer la probabilité qu'un événement devant apparaître, se produise dans une période donnée. Cette caractéristique est propre aux stations et aux années c'est-à-dire qu'elle est fonction de la situation géographique des stations et de la rigueur de l'hiver pour une année donnée. Cette notion d'intensité est utilisée pour obtenir des groupements d'années qui sont identiques. Le petit nombre d'années d'observations nous a empêché d'utiliser les résultats sur les groupements d'années pour la suite de l'étude mais il est tout de même intéressant de noter que les années communes entre les deux bases de données sont identiques au point de vue événements. L'analyse spatiale de la distribution des tempêtes de givrage atmosphérique se fait généralement en considérant directement la distance géographique sans considérer la présence de microclimats ou la topographie entre les stations. Ces paramètres peuvent changer considérablement les conditions météorologiques et donc la progression des tempêtes à travers une région donnée. L'approche utilisée dans ce travail est basée sur la proximité des stations en terme de partage des mêmes événements de givrage. Nous avons utilisé la probabilité de partage des événements entre les stations pour établir des groupements géographiques de stations. Finalement, nous avons modélisé les groupements obtenus par des variables exogènes différentes qui sont la température, la durée, le type de l'accumulation et le poids. Cette méthode permet de définir des groupements de stations cohérents. Trois groupes de stations ressortent de cette étude. Ceux-ci comportent des stations présentant les mêmes caractéristiques au niveau du type de l'accumulation dominant et de la région où elles se trouvent. Pour expliquer ces groupes, la durée de l'événement est le paramètre essentiel. Parfois, la température joue un rôle lorsque nous ne tenons pas compte du type de l'accumulation. La prédiction effectuée à partir des régressions donne de bons résultats quand il s'agit de prévoir des événements locaux. Par contre, la prédiction du partage des événements entre plusieurs stations est nettement moins bonne. Finalement, une étude sur une plus longue période d'observations augmentera les bases de données et améliorera les résultats.

La performance électrique des isolateurs de lignes de transport d'énergie électrique est dégradée par la présence de glace à leur surface. Cet affaiblissement de la tenue électrique des isolateurs peut être tel que des arcs électriques peuvent prendre naissance et se développer jusqu'à provoquer un contournement total des isolateurs. Le contournement électrique des isolateurs qui est ainsi produit peut alors engendré une interruption de courant. Il apparaît donc essentiel de connaître le plus adéquatement possible la performance électrique (sous glace) des isolateurs, lorsque ceux-ci sont situés dans un lieu propice à l'accumulation de glace à leur surface. Cependant, il n'existe présentement aucune norme standard pour tester des isolateurs sous des conditions de glace. Partant de là, une étude systématique, dont le but est de proposer une méthode standard d'essais sous glace et d'étudier l'influence de différents paramètres sur la tenue électrique d'isolateurs recouverts de glace, fut entreprise par le Groupe de Recherche en Ingénierie de l'Environnement Atmosphérique de l'Université du Québec à Chicoutimi. C'est dans ce projet de recherche que la présente étude s'inscrit. Le but de cette dernière est donc d'étudier l'influence de deux facteurs sur la tension de tenue maximale d'isolateurs recouverts de glace. Ces deux facteurs sont les suivants: la fonte de la glace (engendrée par l'augmentation de la température ambiante jusqu'au point de fonte de la glace) et le niveau de contamination à la surface des isolateurs. À l'issue des expérimentations réalisées au cours de la présente recherche, il apparaît que la fonte de la glace cause une diminution de l'ordre de 10% de la tension de tenue maximale, en comparaison aux essais réalisés sans période de fonte de la glace. Également, la présence de contamination à la surface des isolateurs cause une diminution de leur tenue électrique. C'est ainsi que la tension de tenue maximale des isolateurs contaminés légèrement (0,05 mg/cm2) était d'environ 5% plus faible que lors d'essais réalisés sans contamination. De plus, cette diminution de la tenue électrique des isolateurs devenait très critique lorsque le niveau de contamination était moyen (0,1 mg/cm2). Effectivement, des isolateurs composites ayant une densité du dépôt de sel à leur surface de 0,1 mg/cm2, furent contournés par un arc électrique au cours de la période de fonte de la glace, alors qu'ils étaient sous tension de service. Dans le présent mémoire, quelques notions de bases sont relatées dans le but de donner une meilleure compréhension de l'objet d'étude. Également, une revue des principales recherches réalisées dans ce domaine est présentée. Enfin, les résultats de ce travail de recherche, de même que leur analyse, sont présentés en détail.

Afin de construire des systèmes d'ordinateurs de haute performance utilisant les technologies d'intégration à très grande échelle, une nouvelle architecture de systèmes multiprocesseurs hiérarchiques est proposée. Le présent projet consiste en la modélisation de la performance et l'optimisation de cette architecture. Une méthodologie permettant d'obtenir des modèles d'estimation de performance pour l'architecture hiérarchique est proposée. Le temps moyen requis par un message pour se rendre à sa destination (aussi appelé temps de réponse) est utilisé comme mesure de performance. Ces modèles permettent de prédire la performance d'architectures multi-processeurs hiérarchiques avec une précision adéquate pour une vaste gamme de conditions de trafic et de configuration. Ces modèles permettent également d'optimiser la conception de systèmes hiérarchiques de grande dimension. En effet, puisque le temps de réponse d'un système affecte le temps d'exécution d'une application, la connaissance de la sensibilité de ce dernier en fonction de certains paramètres est essentielle pour la conception de systèmes parallèles de haute performance basés sur cette architecture.

L'objet de ce travail était l'étude de l'influence de la température ambiante sur les vibrations induites par effet de couronne d'un conducteur porté à la haute tension sous condition de pluie. L'amplitude de vibrations étant proportionnelle à la valeur crête du courant pulsatoire (Ip) observé lors du détachement de la goutte du conducteur, on a étudié plus précisément la variation du courant de décharge en fonction de la température ambiante sous les tensions continues positives et négatives. La gamme de température utilisée se situait dans l'intervalle 0° à 60°C. Les résultats obtenus ont démontré que l'élongation maximale de la goutte et par conséquent l'intensité du courant de décharge variait non seulement en fonction de la valeur du champ électrique mais aussi en fonction de la valeur de la température ambiante. Le courant de décharge diminuait lorsque la température augmentait. L'élongation critique était beaucoup plus grande pour les températures près de 0°C que pour les températures avoisinantes de 60° C. Cela a été expliqué principalement par la variation de la viscosité avec la température. Les études théorique et expérimentale nous ont amené à la conclusion que l'amplitude de vibrations diminue lorsque la température ambiante augmente. Un modèle physique représentant le comportement d'une goutte d'eau soumise à une vibration sinusoïdale a été développé. On a déterminé la constante Keau d'un système masse-ressort modélisant une goutte d'eau à l'aide de résultats expérimentaux.

L'évaluation de la performance d'une éolienne de type Darrieus nécessite la connaissance des coefficients aérodynamiques de la pale pour différentes conditions d'opérations. Les pales exécutent une rotation de 360° lorsque 1'éolienne fonctionne. Durant cette rotation, le nombre de Reynolds varie considérablement. Et enfin, les conditions climatiques du Québec impliquent la formation de givre sur le profilé. Une simplification intéressante pour ce type de phénomène consiste à traiter l'écoulement en deux parties distinctes. D'abord, solutionner l'extérieur de la couche limite par un écoulement à potentiel; ensuite, résoudre l'écoulement visqueux à l'intérieur de la couche limite. La méthode des éléments finis aux limites nous permet de relever ce défi. On évite alors le coût excessif de la résolution des équations de Navier-Stokes. La solution de l'écoulement à potentiel rend possible le calcul de la pression s'appliquant sur le profil. Lorsque le coefficient de pression est connu à chaque noeud de la forme, on peut ensuite évaluer le coefficient de portance de la pale pour différents angles d'attaque. Enfin, la résolution de la couche limite par les équations intégrales de momentum nous donne le coefficient de friction de surface et les points de séparation de la couche limite. Le profil étudié est le NACA0012 en régime turbulent à des angles d'attaque où il n'y a pas de séparation. Une seule frontière d'intégration définit la forme, l'écoulement, ainsi que la discontinuité à l'arrière du profilé (condition de Kutta). Les résultats obtenus par la méthode de calcul préconisée s'avèrent très proches des résultats expérimentaux et des valeurs théoriques données par les équations de Kutta-Joukowski et la relation de Théodorsen. Donc, le modèle développé remplit les objectifs initiaux. Cependant, certaines améliorations peuvent être envisagées ultérieurement pour raffiner le modèle. Soit en représentant la forme avec plus de précision et en définissant de façon moins simplifiée la condition de Kutta à l'arrière du profilé lors de la rotation. Cependant, ce travail se limite à l'étude des caractéristiques aérodynamiques sans décollement de la couche limite. Enfin, des résultats expérimentaux supplémentaires seraient indispensables afin de vérifier la validité des résultats obtenus avec le profil givré.