一、交流發(fā)電機的基本原理

交流發(fā)電機的結構和物理特性是非常復雜的，已超出本文的范圍，但是，為了理解超前功率因數負載是如何影響發(fā)電機的，必須了解發(fā)電機的一些關(guān)鍵原理。

圖1是交流發(fā)電機工作原理示意圖，其中有一個(gè)旋轉磁場(chǎng)，是由轉子繞組產(chǎn)生的。如圖1所示，勵磁直流電源加在轉子繞組上，勵磁電流流過(guò)繞組時(shí)就會(huì )產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。這個(gè)旋轉磁場(chǎng)使定子繞組不斷地切割磁力線(xiàn)，在定子繞組上就產(chǎn)生3相電壓（電勢）。發(fā)電機的電壓調節器連續測量輸出電壓，并通過(guò)調節勵磁電流調節輸出電壓。如果負載突然增加引起發(fā)電機輸出電壓下降，電壓調節器即稍稍增加磁場(chǎng)電流，使輸出電壓回升。反之亦然，因此可以穩定輸出電壓。轉子磁場(chǎng)需要的直流電源經(jīng)滑環(huán)和電刷供給。

目前，數據中心均采用無(wú)刷交流同步發(fā)電機，不采用電刷。圖1是無(wú)刷交流同步發(fā)電機電路原理圖。發(fā)電機的勵磁直流電源是位于轉子上的一個(gè)小交流發(fā)電機和三相橋式整流器產(chǎn)生的，用于發(fā)電機主磁場(chǎng)勵磁，發(fā)電機定子繞組（主電樞）就產(chǎn)生發(fā)電機三相交流輸出電壓。轉子上勵磁機發(fā)電機的磁場(chǎng)在定子上，其勵磁直流源是由三相交流電（引自發(fā)電機輸出）整流得到的。無(wú)刷交流同步發(fā)電機的基本工作原理與圖1相同。

二、超前功率因數負載的影響

如前所述，不同性質(zhì)負載的主要區別在于負載電流相對于電壓的相位不同。超前功率因數（電容性）負載電流超前，滯后功率因數（電感性）負載電流滯后，功率因數1的（電阻性）負載電流與電壓同相。不同性質(zhì)的負載對發(fā)電機的影響也體現在電流的相位上。以下的討論側重于電流的相位。

當發(fā)電機為負載供電時(shí)，負載電流通過(guò)定子繞組也會(huì )產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，定子的旋轉磁場(chǎng)與轉子的旋轉磁場(chǎng)疊加。當負載有一些不同相電流（無(wú)功電流）時(shí)，轉子磁場(chǎng)強度會(huì )被定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)加強或減弱。例如，如果負載有滯后不同相電流，它將部分地抵消轉子旋轉磁場(chǎng)強度，調節器必須增加旋轉磁場(chǎng)的勵磁電流進(jìn)行補償。與此相反，如果負載有超前不同相電流，它在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是增強了轉子旋轉磁場(chǎng)的強度的。調節器必須減少勵磁電流以進(jìn)行補償。這樣來(lái)維持所要求的輸出電壓。當負載功率因數為1時(shí)，負載電流流過(guò)定子產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)對轉子旋轉磁場(chǎng)基本沒(méi)有影響，轉子磁場(chǎng)強度僅僅由勵磁電流確定，即由發(fā)電機電無(wú)水壓調節器控制。

電壓調節器能在很寬的負載條件下（包括各種超前和滯后不同相電流）保持輸出電壓穩定。但是，當超前不同相電流變得很大時(shí)，磁場(chǎng)會(huì )增強到很大，即使調節器不再供給勵磁電流了，磁場(chǎng)仍然很大。因為發(fā)電機的調節器不可能提供負的勵磁電流。所以當超前不同相電流超過(guò)某一點(diǎn)時(shí)，電壓調節器就不能進(jìn)行補償了，調節器就關(guān)閉了。發(fā)電機的輸出電壓失去控制，不斷上升。結果是發(fā)電機的控制電路檢測到輸出電壓過(guò)高并立刻關(guān)機。

下面通過(guò)發(fā)電機輸出電壓向量圖進(jìn)一步分析超前不同相電流的影響。其中，發(fā)電機輸出電壓U與發(fā)電機內阻Z 的壓降Uz的向量和等于發(fā)電機的電勢E。發(fā)電機的內阻U_z0由電阻R和電感L組成，內阻壓降U_z0等于電阻壓降U_R和電感壓降U_L的向量和。

發(fā)電機帶滯后負載（電感性）時(shí)，電勢E大于輸出電壓隊較大的電勢E才能產(chǎn)生需要的輸出電壓U。發(fā)電機帶超前負載（電容性時(shí)，發(fā)電機的電勢E比輸出電壓U小，即較小的電勢E即可以產(chǎn)生較大的輸出電壓U。

在給定的勵磁電流和負載電流幅度的情況下，帶滯后負載時(shí)產(chǎn)生的電勢E較小，帶超前負載時(shí)產(chǎn)生的電勢E較大。

在發(fā)電機帶較大的超前負載的情況下，為了維持發(fā)電機輸出電壓U，電壓調節器必須減少轉子勵磁電流以降低輸出電壓。但是，定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，加上發(fā)電機轉子的剩磁。即使關(guān)閉電壓調節器，將勵磁電流減到零，仍有足夠的磁場(chǎng)產(chǎn)生較大的輸出電壓，這將導致輸出過(guò)壓，最終使發(fā)電機關(guān)機。因此，發(fā)電機一般不能帶較大的容性負載。

三、發(fā)電機的運行條件指標

上述發(fā)電機運行不穩，甚至關(guān)機的現象就是所謂發(fā)電機的"功率因數問(wèn)題"。這個(gè)問(wèn)題不是由諧波電流引起的。也不是由滯后不同相電流引起的。它是由大于某閾值的超前不同相電流引起的。必須指出，雖然超前不同相電流存在時(shí)，功率因數會(huì )下降，但這個(gè)問(wèn)題的根源是超前不同相電流，而不是功率因數的特定值引起的。例如，如果負載電流的諧波很大，必然會(huì )引起功率因數下降，但不會(huì )造成發(fā)電機運行不穩和關(guān)機。下面將更詳細的討論這個(gè)問(wèn)題.

每個(gè)發(fā)電機都有一個(gè)可接受的運行條件的指標，即發(fā)電機可以吸收無(wú)功功率（超前不同相電流）的指標。圖4示出的是典型的發(fā)電機容量曲線(xiàn)。描述了發(fā)電機輸出和輸入功率的能力。橫軸表示輸出和輸入的無(wú)功功率（kVAr），右邊是輸出無(wú)功功率（正向無(wú)功功率），左邊是輸入無(wú)功功率（反向無(wú)功功率）?？v軸表示輸出的有功功率（kW）。無(wú)功功率和有功功率均用以額定容量為基準的標幺值（即單位容量，額定容量的百分數）表示。圖4中放射線(xiàn)是恒功率因數線(xiàn)。

如圖2所示，發(fā)電機的工作范圍分為5個(gè)區。1區是典型發(fā)電機的正常工作范圍。2區和3區是非正常工作范圍但不會(huì )損壞設備。4區和5區是禁止運行的工作范圍，會(huì )造成設備損壞或運行異常。

在1區的工作范圍內，發(fā)電機組的輸出有功功率（kW）在額定有功功率的0和100%之間，輸出的無(wú)功功率（kVAr）在額定無(wú)功功率的0和60%之間，功率因數（滯后）在0.8和1.0之間。

在2區的工作范圍內，功率因數（滯后）在0和0.8 之間。輸出有功功率在0和0.6之間，輸出無(wú)功功率在0和0.85之間。

在3區的工作范圍內，功率因數（超前）在0.97和1 之間。輸入的無(wú)功功率在0和0.2之間，輸出有功功率在0和1之間。

在4區的工作范圍內，功率因數（超前）在0和0.97 之間。輸入的無(wú)功功率在0.2和1之間，輸出有功功率在0和0.98之間。

在5區的工作范圍內，功率因數（滯后）在0.8和0 之間。輸出的無(wú)功功率在0和0.8之間，輸出有功功率在0和0.6之間。

由上可以看出，發(fā)電機吸收無(wú)功功率的能力比輸出無(wú)功功率的能力小得多。因此帶超前功率因數負載的能力非常有限。3區左邊與4區（禁止區）的邊界位于輸入無(wú)功功率大約0.2處的縱軸，表示發(fā)電機吸收的無(wú)功功率如果大于額定無(wú)功功率的20%就會(huì )造成運行不穩的問(wèn)題。例如，1000kVA，功率因數0.8的發(fā)電機組，其額定無(wú)功功率為600kVAr，如果其輸入無(wú)功功率大于120kVAr，就會(huì )引起發(fā)電機運行不穩或關(guān)機。

發(fā)電機吸收無(wú)功功率的能力用反向無(wú)功功率的極限表示，也可用超前無(wú)功電流極限表示。所以，發(fā)電機工作時(shí)的超前無(wú)功電流必須小于額定無(wú)功電流的20%，以防止發(fā)生運行不穩定的問(wèn)題。

發(fā)電機吸收無(wú)功功率的能力不采用限定超前功率因數表示。因為從2區容量曲線(xiàn)中的恒功率因數線(xiàn)可以發(fā)現，不穩定邊界處的功率因數，隨著(zhù)輸出有功功率的大小變化很大。引起發(fā)電機不穩的臨界超前功率因數可以從無(wú)輸出有功功率負載時(shí)的0.0變到接近滿(mǎn)負載時(shí)的0.97。超前功率因數的極限在不同的有功功率負載下是不同的，故不能規定一個(gè)具體數值。

發(fā)電機在輕載時(shí)，引起運行不穩的臨界超前功率因數很低，很容易達到。負載較大時(shí)，要求的臨界功率因數就變得很大。因此，發(fā)電機輕載時(shí)，不易發(fā)生不穩定的問(wèn)題。這也解釋了為什么一個(gè)數據中心多年來(lái)運行穩定，當用電負載隨時(shí)間增大時(shí)，就變得不穩了。