Soutenance mémoire
Sources de perturbation dans le réseau domestique CPL
Le canal de transmission utilisé pour la technologie CPL est constitué par le réseau électrique domestique. Il est donc naturel de penser que l’état du canal de transmission joue un rôle important pour les systèmes basés sur le CPL. Dans un environnement domestique, les appareils électroménagers, et en général tout appareil électrique connecté au réseau d’alimentation, contribuent au déséquilibre d es lignes du réseau [25]. Le degré d’équilibre d’un appareil est mesuré par le paramètre Longitudinal Conversion Loss (LCL). Les fils d’un câble peuvent aussi contribuer au déséquilibre du réseau. Le déséquilibre dans les fils est généré par la variation en longueur et rayon des fils ainsi que par la variation d’impédances par rapport à la masse. La différence de longueur de fil amène une différence de phase entre les courants circulant dans les fils de phase et de neutre. Cette différence de phase génère un courant en mode commun [25]. En conséquence du déséquilibre du réseau électrique, le signal injecté en mode différentiel dans une ligne électrique subit une transformation en un signal de mode commun. Les émissions rayonnées dans les systèmes CPL sont directement liées au déséquilibre de réseau [25]. Ce rayonnement varie en fonction des composants du réseau électrique. L’étude [25] montre par exemple que le degré de déséquilibre électrique et les émissions rayonnées sont élevés dans les cas de la présence d’un l’interrupteur unipolaire ou d’un tube fluorescent, même éteint. Historiquement, la technologie CPL à bande étroite a été utilisée pour des systèmes de communication bas débit dans le cas de la télécommande d’appareils électrodomestiques. Aujourd’hui, les signaux CPL allant jusqu’à 30 MHz sont utilisés pour transporter des données multimédia à haut débit. L’état du réseau, c’est-à-dire le déséquilibre présent sur le réseau, fait que le transport de signaux à haute fréquence peut générer des émissions qui peuvent perturber d’autres systèmes de communication. Par exemple, un système CPL fonctionnant dans la bande de fréquences de 3 à 30 MHz peut perturber les systèmes radio comme les communications radio amateur, la radiodiffusion par ondes courtes et les systèmes de communication militaire et aéronautique [1] [2]. Le rayonnement CPL peut être traité par différents théories. Par exemple, dans l’étude [1], les émissions rayonnées sont étudiées dans le contexte de transmission d’antennes filaires, dont le coefficient de réflexion au point d’injection est important. Ainsi, la référence [1] étudie la relation entre le coefficient de réflexion est le rayonnement pour la communication par fil. L’article [4] étudie le rayonnement d’un câble torsadé en analysant le paramètre Longitudinal Conversion Transfer Loss (LCTL). Dans cet article, il est démontré que les éléments non équilibrés contribuent à la génération des émissions rayonnées.
CEM de la technologie CPL
Le bas coût et l’installation rapide en utilisant le réseau électrique existant, fait de la technologie CPL une méthode attractive pour la transmission de données haut débit. Néanmoins, les porteuses dans la bande de fonctionnement CPL dans le cas d’un service haut débit, peuvent générer des interférences électromagnétiques [2]. Pour garantir la cohabitation des systèmes de communication et normaliser les produits, il existe des normes CPL crées par des entreprises dans le cadre par exemple de l’alliance HomePlug PowerLine Alliance ou Universal Power Line Association [2]. Pour améliorer la qualité et le débit d’une transmission CPL, les sociétés dans ce domaine utilisent de fréquences allant jusqu’à 30 MHz. Cet incrément dans la bande CPL est contesté par l’Union Internationale des Radio Amateurs, qui considère les possibles interférences électromagnétiques avec les systèmes de communication HF, tant militaires que civils [2]. Le débit théorique de 200 Mbits/s suivant les spécifications HomePlug AV n’est pas suffisant pour l’offre de services d’internet voix, HD vidéo, et données, car dans la pratique on observe un débit autour de 70 Mbits/s [3]. Ceci montre la nécessité d’incrémenter la bande de fréquences CPL avec le risque de créer de perturbations. Dans l’article [3], une analyse de la compatibilité électromagnétique est réalisée pour les systèmes CPL jusqu’à 100 MHz. Les limites et les méthodes de mesures par rapport à la compatibilité électromagnétique pour des équipements dans le domaine des technologies de l’information sont décrits dans la norme EN 55022 [59]. Ces normes sont divisées en classes. Par exemple, la Classe A définit les limites des émissions rayonnées pour protéger un environnement industriel et commercial. La classe B définit les limites des émissions rayonnées pour protéger l’environnement résidentiel. Les mesures effectuées dans [3] montrent que dans la bande 88 MHz – 100 MHz, le signal radio FM peut être perturbé par les signaux CPL. Par ailleurs, l’injection d’un signal CPL d’une densité spectrale de puissance de -85 dBm/Hz dans la bande de fréquences de 30 MHz à 100 MHz n’est pas en accord avec la réglementation dans la classe B. Dans la classe A, les normes sont respectés jusqu’à 70 MHz.
Méthodes de calcul de champ électromagnétique
Les progrès dans le domaine de la modélisation électromagnétique permettent de simuler le rayonnement électromagnétique avec grande précision dans des environnements complexes. Parmi les techniques utilisées, on peut citer les Différences Finies dans le Domaine Temporel (en anglais Finite Difference Time Domain, FDTD), la Méthode des Eléments Finis (en anglais Finite Elements Method, FEM), la Méthode des Moments (en anglais Method of Moments,MoM), la méthode matricielle par lignes de transmission (en anglais Transmission Line Matrix, TLM), la méthode des Volume Finis dans le Domaine Temporel (en anglais Finite Volume Time Difference, FVTD), les méthodes hybrides, etc. Il n’existe pas une méthode que soit capable de résoudre tous les problèmes posés. Il faut donc choisir la méthode appropriée en accord avec le problème à traiter [8]. Pour faire le bon choix, il est nécessaire de faire une étude comparative par rapport à la limitation, les avantages et l’adaptation aux besoins de chaque technique. Dans cette section, nous allons décrire les principes de principales méthodes de simulation du rayonnement électromagnétique.
Conclusion générale
La première partie de notre étude, qui s’appuie sur des travaux précédents, met en évidence qu’un réseau électrique équilibré ne génère pas de rayonnement. Cette condition d’équilibre est dépendante des appareils branchés sur le réseau et des caractéristiques des fils constituant le câble électrique. Tous ces éléments branchés sur le réseau peuvent faire basculer d’un état d’équilibre vers à un état de déséquilibre. Lors de la transmission de signaux à haute fréquence, le déséquilibre du réseau électrique provoque la conversion de signal de mode différentiel en mode commun, qui à son tour est générateur des émissions rayonnées. Ces champs électromagnétiques générés peuvent être déduits mathématiquement. Le choix des outils de simulation électromagnétique a été fait pour permettre la simulation de matériaux avec différentes caractéristiques électromagnétiques. La méthode sélectionnée permet aussi d’avoir une réponse dans une large bande de fréquences. La méthode FDTD associé avec le formalisme de Hollande permet de faire la simulation de câbles électriques. Avant de réaliser des simulations nous avons fait une étude de convergence. Nous avons étudié la variation des résultats de simulation suivant les paramètres sélectionnés pour la simulation. L’étude de convergence a ainsi démontré que la taille de cellules a une influence surtout sur la résolution des cartes de champ, mais influe peu sur la valeur absolue du champ observé. Par contre, l’écartement entre les conducteurs joue un rôle important sur le niveau de rayonnement. L’étude paramétrique du réseau électrique dans une maison type nous a montré que les niveaux de champ rayonné sont en relation avec le rapport entre les fréquences du signal injecté et la longueur de câble. L’étude de la cartographie de champ pour une maison type a montré l’influence importante de l’environnement, composé de divers matériaux de construction. Enfin, nous avons proposé une méthode innovante pour minimiser le rayonnement généré par un système CPL. Cette méthode utilise le retournement temporel. Le retournement temporel a été utilisé dans le domaine sans fil pour focaliser le signal transmis dans le temps et dans l’espace sur le récepteur. Ici, nous exploitons cette propriété pour concentrer l’énergie injectée dans un support filaire. Dans le cas du CPL, il s’agit du réseau électrique. La configuration réaliste sur laquelle nous avons expérimenté cette méthode est composée par des réseaux électriques en utilisation et des signaux CPL correspondant à la norme Homeplug AV. Nous avons obtenu des résultats encourageants. Dans 40% des cas, la réduction des émissions rayonnées a été supérieure à 3 dB, et l’atténuation maximale observée est égale à 10 dB. Nous concluons que la méthode de retournement temporel peut contribuer à faire évoluer les normes CEM CPL. Elle peut aussi ouvrir la voie de recherche pour l’application de cette méthode dans d’autres systèmes filaires.
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Table des matières
Remerciements
Liste de figures
Introduction Générale
Chapitre 1: Emissions électromagnétiques dans l’habitat dues à la technologie Courant Porteur en Ligne
1.1 Introduction
1.2 Sources de perturbation dans le réseau domestique CPL
1.3 CEM de la technologie CPL
1.4 Réglementation sur le niveau de rayonnement autorisé dans l’habitat
1.4.1 Limites des perturbations conduites
1.4.2 Limite des perturbations rayonnées
1.5 Mécanismes de rayonnement du CPL
1.6 Objectifs de la thèse
1.7 Conclusion
Chapitre 2: Développement des théories et des outils utilisés
2.1 Introduction
2.2 Méthodes de calcul de champ électromagnétique
2.2.1 Description de méthodes de calcul électromagnétique
2.2.2 Choix d’une méthode de calcul de champ électromagnétique
2.3 Outil de simulation électromagnétique et méthode de traitement des conducteurs électriques
2.3.1 Présentation du logiciel TEMSI
2.3.2 Méthode de traitement de fil conducteur
2.3.3 Prise en main du logiciel TEMSI
2.4 Théorie de lignes de transmission appliquée aux câbles électrique monofilaire
2.4.1 Principes généraux
2.4.2 Application au cas de câble monofilaire
2.5 Conclusion
Chapitre 3: Caractérisation et modélisation du rayonnement CPL dans un environnement domestique
3.1 Introduction
3.2 Etude de convergence du logiciel TEMSI
3.2.1 Influence du nombre de cellules entre deux fils électriques sur les résultats de simulation
3.2.2 Influence de l’écartement entre les fils sur les résultats de simulation
3.3 Validation expérimentale de simulation
3.3.1 Mesures expérimentaux de champ rayonné et de courant
3.3.2 Comparaison entre mesures et simulations
3.4 Etude paramétrique du rayonnement CPL
3.4.2 Etude paramétrique de longueur des câbles
3.4.3 Etude paramétrique de longueur des branches
3.4.4 Analyses du rayonnement du réseau des prises électriques du réseau électrique domestique
3.4.5 Analyses du rayonnement du réseau électrique dans une architecture de maison type
3.5 Passage de câble multifilaire à câble monofilaire
3.5.1 Théorie de lignes de transmission appliquée au cas de câble bifilaire
3.5.2 Validation du modèle par simulation
3.6 Conclusion
Chapitre 4: Techniques de mitigation du rayonnement des systèmes CPL
4.1 Introduction
4.2 Méthodes de mitigation de rayonnement existantes
4.2.1 Mitigation passive du rayonnement généré par le système PLC
4.2.2 Mitigation active du rayonnement généré par le système PLC
4.3 Analyses expérimentale de méthodes existantes
4.3.1 Configuration de l’expérimentation
4.3.2 Résultats pour une configuration de réseau électrique idéal
4.3.3 Résultats pour une topologie de réseau réaliste
4.4 Mitigation du rayonnement CPL par retournement temporel
4.4.1 Retournement temporel dans le domaine sans fil
4.4.2 Retournement temporel dans le domaine filaire
4.4.3 Configuration de l’expérimentation
4.4.4 Résultats et analyse statistique
4.4.5 Analyses statistique avec des données du projet ETSI
4.5 Conclusions
Conclusion générale
Liste de contributions
Bibliographie
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