Faisabilité des courants porteurs en ligne sur un câble triphasé entre un onduleur MLI et un moteur pour des applications avioniques
(Feasibility of powerline communication on a three-phase cable between PWM inverter and motor for avionics applications)

URL d'accès : http://ori-nuxeo.univ-lille1.fr/nuxeo/site/esupver...

Auteur(s):  Kilani, Khaled
Date de soutenance : 12/03/2013
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Français
Directeur(s) de thèse :  Liénard, Martine ; Degardin, Virginie
Laboratoire : Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN)
Ecole doctorale : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille)

Classification : Sciences de l'ingénieur
Discipline : Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications
Mots-clés : Avions tout électrique
Lignes électriques -- Transmission par courants porteurs
Systèmes à entrées multiples et sorties multiples
Ondes électromagnétiques -- Propagation
Bruit électromagnétique
Turbo-codes
Avions -- Systèmes de communication
Modulation d'impulsions en durée

Résumé : L’avion « plus électrique », voire « tout électrique », a pour objectif le remplacement des sources d’énergie hydraulique et pneumatique par des sources électriques. Ces modifications profondes conduisent à une augmentation de la puissance électrique totale nécessaire et à un accroissement des besoins de communication entre systèmes, impliquant des câbles et des connexions supplémentaires, avec des conséquences en termes de poids, de fiabilité et de maintenance. Pour diminuer le nombre de réseaux filaires dédiés aux communications numériques et pour augmenter la fiabilité de la liaison, une des solutions envisageables est l’utilisation des Courants Porteurs en Ligne (CPL), les câbles d’énergie servant de support à la transmission de l’information. Tout en conservant cet aspect avionique, l’objet de notre étude concerne la faisabilité d’une transmission CPL sur un câble de puissance triphasé reliant un convertisseur et un moteur. Dans un premier temps, les caractéristiques des fonctions de transfert ou gains d’insertion, mesurés sur un banc de test comprenant un moteur et un convertisseur, sont présentées. On a envisagé tout d’abord une communication utilisant simplement 2 fils de phase comme support physique, l’injection et la réception du signal étant réalisées au moyen de deux types de coupleur, capacitif ou inductif. On s’est intéressé ensuite à une transmission dite « MIMO » pour laquelle des signaux sont émis simultanément sur 2 paires de fils de phase et dans ce cas la matrice de transfert du canal a été caractérisée. Les mesures ont été effectuées initialement sur un réseau 3 fils placés à l’intérieur d’un bâtiment, avant d’être menées sur le câble triphasé de puissance reliant onduleur et moteur. Comme de nombreuses impulsions sont produites par les convertisseurs de puissance à Modulation à Largeur d’Impulsion (MLI), un effort particulier a été porté sur la caractérisation expérimentale de ces bruits et sur leurs paramètres statistiques. Cela a permis d’aboutir à un modèle de bruit qui sera une donnée d’entrée d’un logiciel simulant la liaison numérique entre un moteur et le convertisseur de puissance. Afin de lutter contre ce bruit impulsif, deux méthodes d’écrêtage de signaux et une méthode de suppression du bruit ont été étudiées. La simulation numérique de la transmission montre que la méthode de suppression de bruit précédée d’un écrêtage des signaux reçus est la méthode la plus performante, en offrant un gain de 6 dB en puissance d’émission par rapport une transmission sans traitement. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux performances du standard HomePlug AV dans ses deux modes, robuste (ROBO) et haut débit (AV), en présence du bruit impulsif. Enfin, les performances en termes de taux d’erreurs binaires (TEB) de la transmission MIMO sur les réseaux indoor et triphasé ont été présentées pour différents types de codage espace-temps (STBC) ou espace - fréquence (SFBC). On a montré que, pour un débit de 5 Mbits/s, une transmission dans le mode ROBO associé à la méthode MIMO-SFBC et une modulation QPSK, offrait un gain de diversité de 5 dB pour une liaison sur le câble triphasé convertisseur – moteur, tout en présentant l’avantage de ne pas nécessiter la connaissance du canal à l’émetteur.


Résumé (anglais) : The objective of "More electric" or "all electric" aircrafts is to replace the hydraulic and pneumatic power by electric sources. However, these changes lead to the increase in the power consumption and the need of communication between systems. This comes at the cost of additional cables and connections with challenges in weight considerations, reliability and maintenance. A possible solution to overcome this problem is the use of powerline communication (PLC) by employing the power cables to support the transmission of information. The main objective of our work is the study of the feasibility of a transmission over a powerline cable connecting a three-phase power converter and motor in an avionic environment. First, the characteristics of the transfer function or insertion gains, measured on a test bench including a motor and an inverter are presented. We initiate our study by considering the case of single input single output (SISO) communication using two wires as physical media. The injection and the reception have been performed by two types of coupling, capacitive or inductive. Then, the study was extended to the case of multiple-input and multiple-output (MIMO) transmission in which signals are transmitted simultaneously on two pairs of wires. In this case, the transfer matrix of the channel has been characterized. The measurements were carried out in two environments: a 3 wires network placed inside a building and a three-phase cable connecting the power inverter and motor. Due to the impact of many pulses produced by Pulse Width Modulation (PWM) inverters, a special effort has been made on the experimental characterization of these pluses and their statistical parameters. This leads to develop a noise model used as an input to a software simulator. Clipping methods and a noise suppression method were studied in order to reduce the effect of impulsive noise. The simulation showed that the transmission using a noise suppression technique preceded by a clip of the received signals is the most efficient, providing a gain of 6 dB compared to a transmission without treatment. Then we were interested in the performance of the HomePlug AV standard in both modes, robust (ROBO) and broadband (AV) in the presence of impulsive noise. Finally, performance in terms of bit error rate (BER) of the MIMO transmission on indoor networks and on a three phase power cable was presented for different types of space-time bloc coding (STBC) and space frequency bloc coding (SFBC). It has been shown that, for a rate of 5 Mbit/s, transmission over the three phase cable in the ROBO mode associated with the SFBC method and MIMO-QPSK modulation, offered a diversity gain of 5 dB without prior channel knowledge at the transmitter.


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