Composition du canal support pour le CPL sur un réseau MLI

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Dans l’automobile

Dans les automobiles d’aujourd’hui, un nombre important de calculateurs contrôlent les différentes fonctions dans un véhicule. Aussi, pour réduire le poids et le coût de fabrication, les constructeurs essaient de remplacer les fonctions mécaniques ou hydrauliques par des fonctions électriques. Par conséquent, le nombre de capteurs et de calculateurs augmente davantage. De plus, certains capteurs, comme les caméras par exemple, nécessitent une connexion haut débit [10]. L’utilisation du CPL dans ce type d’application permet de réduire le nombre de câbles. Par conséquent, le CPL présente des gains en termes de coût, de poids et de complexité de câblage. Cependant, l’utilisation du CPL dans l’automobile est une des premières applications du CPL et a été, en 1994, l’objet du travail de Fabienne Nouvel-Uzel lors de sa thèse sur les communications intra-véhicule par étalement de spectre et courant porteur en ligne [11]. Vingt ans après, l’application des CPL dans l’automobile est toujours d’actualité [10], [12]–[16].

Dans l’avionique

Dans les avions modernes, les réseaux informatiques sont de plus en plus complexes. Par conséquent, le câblage nécessaire pour ces réseaux présente un poids important. L’utilisation du réseau d’énergie électrique comme support physique pour le réseau informatique à bord de l’avion est très prometteuse. Cela permettra non seulement de réduire le poids des installations [17], mais aussi d’améliorer la fiabilité et de diminuer certains coûts de production. Cette réduction de poids permettra d’augmenter davantage le nombre des appareils intelligents connectés à bord de l’avion.
Une autre application du CPL en avionique concerne un nouveau type de réseau d’énergie (HVDC ∓270V). Ce réseau est relativement long et alimente le réseau MLI (onduleur et moteur). La thèse de T. Larhzaoui [18] traite de la faisabilité d’utiliser le réseau HVDC pour transmettre des informations.

Dans le réseau électrique intelligent (Smart-grid)

Le CPL est de plus en plus utilisé dans les applications du « Smart-grid ». Par exemple, dans le cadre d’un système photovoltaïque autonome, le CPL est utilisé dans le système de recharge et de surveillance des batteries Li-ion LFP [19], [20]. Dans cette application, le CPL assure la communication sur le réseau DC entre les « Battery Management System » et l’électronique de gestion de l’application.
Plus récemment, une nouvelle norme de CPL spécifique aux applications Smart-Grid a été développée. Cette norme est la « G3-PLC », elle est née d’une collaboration entre les sociétés Maxim et Enedis. Elle est utilisée actuellement dans la nouvelle génération des compteurs électriques connectés et en cours de déploiement dans l’ensemble de la France. Cette norme utilise la bande fréquentielle comprise entre 150kHz et 500kHz[21].
La technologie CPL a aussi trouvé des applications sur des réseaux continus. Une application originale du CPL concerne l’éclairage de la piste d’atterrissage de l’aéroport de Séville en Espagne
[22]. Les lampes de la piste sont connectées à des régulateurs de courant qui fournissent la puissance aux lampes. Pour cette application, les modems CPL assurent la communication entre la commande et les régulateurs de courant. La bande utilisée dans cette application est comprise entre 60 et 200kHz.
Une autre étude a aussi montré l’intérêt de l’utilisation du CPL pour l’amélioration des systèmes d’éclairage des pistes de décollage afin de les rendre plus efficaces et intelligents [23].

Modélisation du moteur

Du point de vue de la communication CPL, le moteur est considéré comme une charge sur le câble d’énergie. Plusieurs recherches ont traité la modélisation de l’impédance du moteur pour les bandes de fréquence utilisées par le CPL [31], [34]–[37]. Le modèle se compose d’une impédance de mode différentiel et de deux impédances de mode commun, comme le montre la Figure 10. L’impédance de mode différentiel (Zmd) est composée de deux circuits RLC en parallèle. Cependant, les deux impédances de mode commun (Zmc) sont composées d’un seul bras RLC. Pour une communication CPL entre les accès 1 et 2 (présentés à la Figure 10), seule l’impédance du mode différentiel est importante à identifier. Plus la valeur de cette impédance est grande, meilleure sera la communication.

Modélisation de l’onduleur

L’onduleur est, comme le moteur, considéré comme une charge sur les câbles d’énergie. Par contre, les transistors de l’onduleur changent d’état à chaque commutation. Par conséquent, la charge que l’onduleur impose sur les câbles d’énergie change selon l’état des transistors. Cela peut changer la réponse du canal selon la commande des transistors comme il est illustré à la Figure 11.
Chaque module IGBT peut être modélisé par un circuit RLC en série [38]. Pour un module IGBT en circuit fermé, le modèle du module est résumé par un RL en série (cf.Figure 12).
Le câblage entre les modules IGBT et le point de connexion du modem CPL peut avoir un effet sur l’impédance de l’onduleur. Si la longueur du câblage n’est pas négligeable devant la longueur d’onde des fréquences étudiées, la modélisation doit prendre en compte ce câblage.

L’application du CPL dans un réseau MLI

Dans une application de variation de vitesse, les capteurs sur le moteur fournissent des données de surveillance de l’état du moteur. La vitesse, la position et la température du moteur sont quelques exemples de types de données de surveillance. Ces données sont importantes pour optimiser et sécuriser le fonctionnement du moteur par la commande. Aujourd’hui, ces données sont transmises à la commande par une ligne de transmission dédiée (classiquement un câble coaxial).
Les premiers travaux d’intégration du CPL sur un réseau MLI proviennent des États-Unis [41], [42]. Mais cette technologie a vraiment pris son envol depuis une dizaine d’années avec les travaux de l’université de technologie de Lappeenranta en Finlande. Les travaux de Jero Ahola en 2003 [39] ont permis un grand avancement dans l’utilisation du CPL dans l’environnement convertisseur-machine. Sa thèse se résume en six contributions majeures :
1. la modélisation des câbles blindés basse-tension de type MCMK dans la bande 100KHz-30MHz;
2. la modélisation des câbles entre deux brins par une ligne de transmission bifilaire, et l’identification des paramètres linéiques du câble comme la résistance R, l’inductance
L, la conductance G et la capacité C ;
3. la modélisation de l’impédance du moteur ;
4. la caractérisation de l’impédance de l’onduleur dans la bande 10kHz-30MHz ;
5. la caractérisation de l’ensemble du canal de communication, et l’observation des problèmes d’adaptation induisant la formation des ondes stationnaires ;
6. le développement d’un modem CPL pour le réseau MLI à partir d’un modem CPL résidentiel.
Les travaux de Antti Kosonen en 2008 [38], sont la suite des travaux de J.Ahola. Le canal de communication a été modélisé en plusieurs parties. Les câbles sont considérés comme une ligne de transmission. L’impédance entre deux phases du moteur est modélisée par un circuit RLC en série. L’onduleur est modélisé également par un circuit à éléments localisés.
Un autre aspect important de ses travaux est le développement d’un coupleur, qui permet d’éliminer le bruit de l’onduleur allant vers le modem et de laisser passer les fréquences utilisées par le CPL sur l’émission et la réception. En effet, Kosonen considère que le bruit est généré principalement par l’onduleur. Il évoque également la problématique de latence introduite par les modems CPL.
L’application du CPL dans un réseau MLI est une thématique de plus en plus présente dans les laboratoires de recherche nationaux [1], [27], [43]. Au sein de notre laboratoire, les travaux de Marc-Anthony MANNAH font partie des premiers efforts de développement d’un modem CPL adapté aux réseaux MLI. Dans sa thèse [1], il a proposé deux solutions pour intégrer le CPL dans ce type de réseau.
La première solution consiste à utiliser des modems CPL conçus pour les réseaux résidentiels avec un filtre MLI. Celui-ci est placé entre différentes phases de l’onduleur. Le filtre MLI est un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure de 4 kHz. Il permet de diminuer le niveau des fronts de tension (dV/dt) sans modifier la forme générale du signal MLI. Ce filtre permet aux modems HomePlug 1.0 de fonctionner sur le réseau MLI d’amplitude allant jusqu’à 300V.
La deuxième solution est de développer un modem CPL spécifique pour le réseau MLI, solution dont il a montré la faisabilité. Les techniques de communication utilisées sont basiques : une porteuse à 70MHz, une modulation QPSK et une bande de 1.2MHz pour un débit de 1.6Mbits/s. Pour améliorer le rapport signal à bruit (SNR), un transmetteur a été utilisé. Il est composé d’un transformateur large bande, d’un filtre passe-bande [55-85MHz] et un amplificateur de 18dB.

CONCLUSION

Le Courant Porteur en Ligne (CPL) consiste à utiliser les réseaux d’énergie comme support de communication. Actuellement, ce type de communication est utilisé dans une vaste gamme d’applications, mais surtout dans des réseaux à courant continu ou alternatif.
Pour les réseaux MLI, l’utilisation des modems conçus pour la domotique n’est pas une solution fiable. Les modems domotiques utilisent des techniques de codage (source et canal) permettant d’atteindre un débit important, mais ils ne sont pas forcément adaptés aux applications de variation de vitesse des machines tournantes. Cependant, plusieurs études se sont intéressées à cette problématique et ont montré sa faisabilité. D’autres études ont proposé des modèles pour les différents éléments du réseau MLI. Toutefois, aucune étude n’a cherché à déterminer la bande fréquentielle optimale pour la communication par CPL sur un réseau MLI.

MODÉLISATION DU CANAL

Les différents éléments du canal sont modélisés successivement. Les câbles sont des quadripôles, ils peuvent être écrits sous la forme de matrices chaînes (ABCD). L’onduleur et le moteur sont considérés comme des impédances complexes présentes sur les terminaisons du câble.
L’ensemble du canal se résume par une matrice chaîne qui permet par la suite de calculer la fonction de transfert.

Modèle d’une ligne de transmission bifilaire

Le modèle d’une ligne de transmission bifilaire est bien connu [44], [45]. Par contre, l’obtention des paramètres linéiques (RLGC) est toujours une étape complexe et de nombreuses publications traitent de cette problématique [31], [46]–[51].
Les câbles d’énergie utilisés sont des câbles non blindés de type « Prysmian-Flextreme H07 RN-F 3G2.5mm² ». Ils sont constitués de trois fils multibrins. Une section du câble est présentée à la Figure 16.
La modélisation des câbles par des lignes de transmission est une approximation qui permet d’estimer les paramètres du câble pour une longueur quelconque. Le paragraphe 2.1 est consacré à cette modélisation.

Autres formalismes pour décrire le modèle du câble

Il existe plusieurs types de simulateurs pour simuler le modèle du câble. Ils se divisent principalement en deux types :

Simulation temporelle :

Pour ce type de simulation, la ligne de transmission est composée d’un nombre fini de cellules élémentaires. Les paramètres linéiques (RLGC) du câble doivent donc être identifiés avec des valeurs indépendantes de la fréquence.
En effet, la précision des résultats de simulation est proportionnelle au nombre de cellules par mètre. L’avantage de ces simulateurs est d’être applicables pour tout type de signal temporel et de pouvoir calculer le courant et la tension en tout point du câble. En revanche, quand le câble est long, le nombre de cellules devient important. Par conséquent, le temps de calcul augmente aussi. Pour cette raison, ce type de simulation n’est pas retenu.
Il est possible de réaliser cette simulation temporelle sur de nombreux logiciels, comme par exemple : Simulink, PSPICE, etc.

Simulation en régime harmonique :

Le passage en régime harmonique est adapté à notre étude. En effet, il permet d’identifier les paramètres du câble propres à chaque fréquence de l’intervalle étudié. Ce formalisme est issu des équations des télégraphistes. Les équations (2.3) et (2.4) deviennent (2.5) et (2.6) en régime harmonique:
2 V(x)R jL G jc V x 2 V x 2 x(2.5)
2 I(x)R jL G jc I x 2 I x 2 x (2.6)

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART
1. Classification du Courant Porteur en Ligne (CPL)
1.1 Classification selon la bande utilisée
1.2 Classification selon l’application
1.2.1 Applications résidentielles
1.2.2 Dans l’automobile
1.2.3 Dans l’avionique
1.2.4 Dans le réseau électrique intelligent (Smart-grid)
2. L’utilisation du CPL dans un réseau MLI
2.1 Particularités du signal MLI de puissance
2.2 Composition du canal support pour le CPL sur un réseau MLI
2.2.1 Modélisation des câbles d’énergie
2.2.2 Modélisation du moteur
2.2.3 Modélisation de l’onduleur
2.2.4 Méthodes de couplage
2.3 L’application du CPL dans un réseau MLI
3. Conclusion
CHAPITRE 2 MODÉLISATION DU CANAL ET CARACTÉRISATION DU BRUIT
1. Description du canal de communication
2. Modélisation du canal
2.1 Modèle d’une ligne de transmission bifilaire
2.1.1 Modèle électrique de la ligne de transmission bifilaire
2.1.2 Extraction des paramètres R, L, G et C à partir des paramètres S
2.1.3 Modèle de la ligne à partir de l’optimisation de RLGC
2.2 Modélisation de l’onduleur et du moteur
2.2.1 Modélisation du moteur
2.2.2 Modélisation de l’onduleur
2.3 Fonction de transfert du canal (moteur-câble-onduleur)
2.4 Fonction de transfert du canal (moteur-câble-onduleur) avec câbles coaxiaux
3. Caractérisation du bruit
3.1 Description du signal MLI
3.2 Signal MLI de l’application
3.2.1 Mesure avec une sonde de tension
3.2.2 Mesure à travers un filtre passe-haut
4. Conclusion
ZARANEH

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