On dit volontiers que le réseau « tient » sa tension, comme on dit que la mer « tient » son niveau : formule commode, qui dispense de chercher qui s'y colle. Or la tension d'un nœud n'est pas une propriété du cuivre. C'est le résultat d'un rapport de force entre des sources qui s'obstinent à garder leur potentiel et des charges qui s'obstinent à le leur faire perdre. Dans ce rapport de force, la machine synchrone joue le rôle du poids lourd, et elle le fait sans qu'aucun calculateur ne le lui demande.
Source de tension ou source de courant
Un dipôle « impose » une tension lorsqu'il la maintient à peu près constante quand le courant qu'on lui réclame varie, ce qui revient à dire que son impédance interne est faible devant celle de la charge. Dans le cas inverse, il impose un courant. L'alternateur appartient à la première famille. L'onduleur de production classique, régulé en courant et accroché au réseau par une boucle à verrouillage de phase (PLL), appartient à la seconde.
Le mécanisme de l'alternateur est d'une simplicité presque insolente. Le rotor, parcouru par le courant d'excitation If, crée un flux qui tourne à la vitesse de synchronisme. Ce flux induit dans les enroulements du stator une force électromotrice E, proportionnelle à If et à la vitesse (tant que le fer ne sature pas). Vu de ses bornes, le stator se réduit alors à cette f.é.m. en série avec une réactance synchrone Xs :
Le courant I est dicté par la charge. La f.é.m. E, elle, existe avant la charge et indépendamment d'elle : c'est la définition d'une source de tension.
Fig. 1 — Diagramme de Behn-Eschenburg d'un alternateur surexcité débitant sur charge inductive. V est la référence ; I est en retard de φ ; E = V + jXs·I. Machine à pôles lisses, résistance statorique négligée, Xs constante.
Lecture : la projection verticale de E vaut E·sin δ = Xs·I·cos φ, donc elle est proportionnelle à la puissance active P. Le segment horizontal E·cos δ − V (en vert) est proportionnel à la puissance réactive Q.
P par l'angle, Q par l'excitation
Avec I = (E∠δ − V) / (jXs) et S = V·I*, on obtient, par un calcul d'une demi-ligne :
Q = V·(E·cos δ − V) / Xs
L'angle interne δ se règle par le couple mécanique qu'on injecte sur l'arbre : c'est la chaudière, la turbine ou l'eau qui décident de P. L'excitation, elle, décide de Q. Si la tension du nœud baisse, le régulateur de tension (AVR) augmente If ; E monte, E·cos δ − V augmente, et la machine fournit davantage de réactif, ce qui relève V. La boucle se referme d'elle-même.
Avant même que l'AVR ait eu le temps de réagir, la machine soutient déjà la tension par sa seule physique : en cas de creux, son flux ne peut pas varier instantanément, et elle débite un courant de plusieurs fois son courant nominal, limité par ses réactances subtransitoire et transitoire (X″d, X′d). L'ordre de grandeur courant est de quelques fois In pendant les premières périodes. Aucune électronique ne l'y oblige.
La raideur du réseau, ou l'art de ne pas bouger
Pour de petites variations et un réseau à dominante inductive (R ≪ X), la variation relative de tension d'un nœud est approximativement :
où Scc est la puissance de court-circuit au nœud. Or Scc est largement fournie par les machines synchrones connectées : plus il y en a, plus l'impédance vue du nœud est faible, et moins la tension bouge quand la charge varie. Un réseau « raide » est un réseau où les rotors sont nombreux. Un réseau « faible » est un réseau où la tension se déplace dès qu'on éternue.
Les courbes en V
La manière classique de visualiser ce couplage entre excitation et réactif est la courbe en V (courbe de Mordey) : le courant statorique en fonction de l'excitation, à tension et puissance active constantes.
Fig. 2 — Courant statorique I en fonction de l'excitation E, pour V = 1 pu, Xs = 1 pu (valeur illustrative), P = 0, 0,5 et 1 pu. Machine à pôles lisses, E proportionnelle à If (sans saturation), résistance négligée. Les points marquent les minima (cos φ = 1).
Pour un P donné, le courant passe par un minimum quand cos φ = 1, c'est-à-dire quand la machine ne fournit ni n'absorbe de réactif. À gauche, elle est sous-excitée et absorbe du Q (le courant est en avance sur la tension) ; à droite, elle est surexcitée et en fournit (le courant est en retard). Chaque courbe de P non nul démarre à la limite de stabilité statique (δ = 90°, soit E = P·Xs/V) : plus la machine est chargée, plus l'excitation minimale est élevée. Le lieu des minima (pointillé gris) vérifie E = √(V² + (P·Xs/V)²).
Et les onduleurs ?
Un onduleur régulé en courant se contente d'injecter ce qu'on lui prescrit, en se calant sur une tension qu'il n'a pas créée. Il a donc besoin que quelqu'un d'autre fournisse cette tension de référence : une machine synchrone, ou un onduleur dit grid-forming, dont la commande le fait se comporter en source de tension. La nuance est que cet onduleur reste limité en courant par ses semi-conducteurs, là où l'alternateur encaisse brièvement un multiple de son courant nominal. La source de tension électronique existe ; elle est simplement moins musclée.
« Impose la tension » est un raccourci. Une machine synchrone est une source de tension derrière une réactance, dont la f.é.m. est régulée par l'AVR : la tension à ses bornes résulte de l'équilibre local du réactif, de la topologie et de la consigne, pas d'une valeur absolue.
Le modèle utilisé ici (pôles lisses, Xs constante, R négligée, E ∝ If, régime permanent) ne vaut pas pour un alternateur à pôles saillants, qui exige deux réactances (Xd et Xq), ni en régime transitoire. La saturation magnétique déforme en pratique la partie surexcitée des courbes en V.
La machine impose aussi la fréquence, par la vitesse du rotor et son inertie : c'est l'autre moitié de l'histoire, qui mérite son propre article.
Au bout du compte, le réseau n'« impose » rien. Il se contente de transmettre, avec les pertes d'usage, ce que des rotors décident, quelque part, de tenir.
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