Thèse soutenue

Etude de la propagation radiofréquence dans des milieux complexes : optimisation de la communication sans fils dans des tableaux de distribution électrique
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Auteur / Autrice : Yoann Berthoud
Direction : Fabien Ndagijimana
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Optique et Radiofréquences
Date : Soutenance le 14/12/2022
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Electronique de puissance (Grenoble)
Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : James Roudet
Examinateurs / Examinatrices : Françoise Paladian
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Besnier, Élodie Richalot

Résumé

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Schneider Electric est une multinationale française leader mondiale en gestion d’énergie et automatisation industrielle. Elle fournit les principaux produits nécessaires à la construction de systèmes de distribution électriques allant de la moyenne tension à la distribution finale comme les prises de courant. Schneider Electric était le pionnier de l’intégration de systèmes sans fils dans les armoires électriques. A cette époque, tous les capteurs, comme les capteurs de puissance ou de température, communiquaient par des bus de terrain industriels comme le Modbus. Aujourd’hui des dizaines de capteurs sans fils communiquent leurs données à leur gateway utilisant la bande ISM à 2.4 GHz. Ce système est bien adopté dans le secteur tertiaire où les armoires électriques sont peu partitionnées ce qui facilite la robustesse de la liaison radio entre le capteur et son concentrateur. Schneider Electric souhaite désormais étendre le système PowerTag au secteur industriel pour lequel les armoires sont plus lourdement partitionnées afin d’assurer une bonne continuité de service. Les multiples partitionnements métalliques causent l’évanouissement rapide du signal radio et il faut donc multiplier les concentrateurs pour assurer une bonne couverture radio de l’armoire.En conséquence, cette thèse est construite autour de deux axes principaux. D’une part, comprendre et modéliser la propagation électromagnétique au sein des environnements complexes que sont les armoires électriques industrielles afin d’optimiser le placement des concentrateurs et obtenir la meilleur couverture radio avec un minimum de concentrateurs. D’autre part, améliorer la propagation électromagnétique au sein de ces structures car l’on ne pourra pas diminuer le coût de la solution sans fil si un concentrateur ne peut couvrir plus d’une colonne.Les méthodes habituelles sont inadaptées à cause du large facteur de forme et de la nature résonante des armoires. Nous avons donc investigué une méthode permettant de calculer la réponse moyenne d’un système de cavités couplées : le « Power Balance » (PWB). Elle s’appuie sur la topologie du système et n’a donc pas besoin de sa géométrie exacte ce qui la rend particulièrement efficace pour calculer la réponse moyenne du système. Dans la modélisation PWB, toutes les interactions sont modélisées par des Sections Efficaces de Couplages (ECS). De plus, sous l’hypothèse de champ diffus, la puissance reçue est exponentiellement distribuée et il est donc possible de déterminer la probabilité pour le signal reçu d’être au-dessus du seuil de sensibilité du récepteur.Le PWB fût d’abord appliqué dans un environnement contrôlé. L’acier galvanisé et les ouvertures résonantes ont des ECS plus grandes qu’attendues et nous proposons donc deux méthodes pour les caractériser ce qui permit d’améliorer la précision du modèle PWB et nous permis de passer sur une véritable armoire. Nous avons caractérisé les ECS des disjoncteurs et travaillé sur la modélisation de câbles traversant de multiples cavités. Ces résultats ont permis d’obtenir une estimation satisfaisante de la puissance moyenne reçue dans plusieurs configurations.Deux idées ont été choisies pour améliorer la propagation électromagnétique dans les armoires électriques. Premièrement, utiliser des guides d’onde à fuite avec contrôle mécanique de gain afin d’améliorer horizontalement la propagation. Deuxièmement, utiliser des Surfaces Sélectives en Fréquence (FSS) pour améliorer verticalement la propagation dans une colonne.Plusieurs prototypes ont été étudiés pour fournir un système flexible de guides d’onde rayonnant la même puissance dans des armoires ayant jusqu’à 9 colonnes. Basé sur des motifs connus, nous avons proposé des nouveaux partitionnements FSS transmettant fortement sur la bande ISM à 2.4 GHz. Ces idées présenteraient peut d’intérêt si elles ne pouvaient être intégrée à un modèle PWB. C’est pourquoi nous avons proposé et validé par la mesure un modèle d’ECS pour chacune.