Exploitation d'un réseau d'énergie électrique modulé en largeur d'impulsions pour la transmission de données par courant porteur en ligne : modélisation, simulation et expérimentation

Exploiting of Pulse Width Modulated Electrical Network for Data Transmission using Power Line Communication : modeling, Simulation and Experimentation

• Auteur / Autrice : Nabil Zaraneh
• Direction : Nicolas Ginot, Christophe Batard, Anne-Sophie Descamps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 19/12/2017
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et des Technologies du numéRique
• Jury : Président / Présidente : Nadir Idir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François-Xavier Coudoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Charles Le Bunetel, Virginie Dégardin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Taux d'erreurs sur les bits

Modulation d'impulsions en durée

Mots clés libres

Courant Porteur en Ligne (CPL)

Fonction de transfert de tension

Rapport canal à bruit

Coupleurs, Modulation d’Amplitude en Quadrature (QAM)

Résumé

Les applications de variation de vitesse des machines alternatives mettent en oeuvre des réseaux Modulés en Largeur d’Impulsion (MLI). La commande de ces machines nécessite la connaissance de données comme la vitesse ou la position du rotor. La transmission des données par Courant Porteur en Ligne (CPL) sur le réseau d’énergie permet de simplifier l’installation et l’entretien du système, d’augmenter sa fiabilité et de réduire son coût. Les modems CPL actuellement disponibles ne sont pas compatibles avec les applications de variation de vitesse. Le bruit (tension MLI) de type impulsionnel ainsi que l’atténuation du signal de communication à travers les câbles d’énergie sont les deux principaux obstacles au déploiement du CPL sur les réseaux MLI. Le développement d’une solution spécifique est donc nécessaire pour pouvoir utiliser le CPL. A partir du banc d’essai, le moteur, les câbles triphasés de longueurs de 10, 60 et 110 mètres et l’onduleur ont été modélisés et une fonction de transfert du canal est obtenue et validée par des mesures., La tension MLI a été mesurée et caractérisée. À partir de ces données, un calcul du rapport canal à bruit (CNR) a permis d’identifier les fréquences centrales optimales. Deux paires de coupleurs (Rx, Tx) sont réalisées autour de ces fréquences avec une bande passante de 10MHz. Un simulateur de communication intégrant le modèle du canal et du bruit a été développé. Le banc d’essai a été enrichi avec un système de modulation/démodulation QAM complet. Les résultats de simulation, en termes de puissance, débit et TEB, sont ensuite comparés aux résultats obtenus par le banc d’essai.

Pulse Width Modulated (PWM) networks are used in adjustable-speed drive applications. Data like, speed and rotor position, coming from sensors on the motor, are necessary for the control. Other data like, temperature and current value are important for monitoring purposes. Using Power Line Communication (PLC) techniques to transfer data from those sensors to the control has some numerous benefits. The most obvious are, simplified installation and maintenance, increase of reliability and reduction of cost. Unfortunately, PLC modems used in low-voltage sinusoidal network are not compatible with this type of application. In fact, the PLC signal suffers from power cables attenuation. In addition, the PWM voltage can generate high level noise in the bandwidth used by traditional PLC modems. Therefore, a specific PLC solution is needed in this type of applications. To find an optimized solution, the motor, the inverter as well as the cables (10, 60 and 110 meters) are modeled by a chain matrix. The transfer function calculated from the model is verified by measurements. Afterward, the PWM voltage is measured and characterized. Using the transfer function in addition to the PWM measurements, the Channel to Noise Ratio (CNR) is calculated. The CNR provides the best two center frequencies for PLC couplers. For each frequency, a couple of couplers (Tx, Rx) of 10MHz width is made. A communication simulator is made using channel model and noise (PWM) measurements. In addition, the test bench is upgraded with a QAM modem. A wide comparison is made between results (output power, bit rate and BER) obtained from the test bench and from simulations.