一、交流發(fā)電機(jī)的基本原理

交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和物理特性是非常復(fù)雜的，已超出本文的范圍，但是，為了理解超前功率因數(shù)負(fù)載是如何影響發(fā)電機(jī)的，必須了解發(fā)電機(jī)的一些關(guān)鍵原理。

圖1是交流發(fā)電機(jī)工作原理示意圖，其中有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，是由轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的。如圖1所示，勵(lì)磁直流電源加在轉(zhuǎn)子繞組上，勵(lì)磁電流流過(guò)繞組時(shí)就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使定子繞組不斷地切割磁力線，在定子繞組上就產(chǎn)生3相電壓（電勢(shì)）。發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器連續(xù)測(cè)量輸出電壓，并通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)輸出電壓。如果負(fù)載突然增加引起發(fā)電機(jī)輸出電壓下降，電壓調(diào)節(jié)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(wěn)定輸出電壓。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)需要的直流電源經(jīng)滑環(huán)和電刷供給。

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

二、超前功率因數(shù)負(fù)載的影響

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

當(dāng)發(fā)電機(jī)為負(fù)載供電時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)定子繞組也會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)疊加。當(dāng)負(fù)載有一些不同相電流（無(wú)功電流）時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)被定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)加強(qiáng)或減弱。例如，如果負(fù)載有滯后不同相電流，它將部分地抵消轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)器必須增加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流進(jìn)行補(bǔ)償。與此相反，如果負(fù)載有超前不同相電流，它在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)度的。調(diào)節(jié)器必須減少勵(lì)磁電流以進(jìn)行補(bǔ)償。這樣來(lái)維持所要求的輸出電壓。當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)，負(fù)載電流流過(guò)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)基本沒(méi)有影響，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度僅僅由勵(lì)磁電流確定，即由發(fā)電機(jī)電無(wú)水壓調(diào)節(jié)器控制。

電壓調(diào)節(jié)器能在很寬的負(fù)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(wěn)定。但是，當(dāng)超前不同相電流變得很大時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)到很大，即使調(diào)節(jié)器不再供給勵(lì)磁電流了，磁場(chǎng)仍然很大。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)器不可能提供負(fù)的勵(lì)磁電流。所以當(dāng)超前不同相電流超過(guò)某一點(diǎn)時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器就不能進(jìn)行補(bǔ)償了，調(diào)節(jié)器就關(guān)閉了。發(fā)電機(jī)的輸出電壓失去控制，不斷上升。結(jié)果是發(fā)電機(jī)的控制電路檢測(cè)到輸出電壓過(guò)高并立刻關(guān)機(jī)。

下面通過(guò)發(fā)電機(jī)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(jī)輸出電壓U與發(fā)電機(jī)內(nèi)阻Z 的壓降Uz的向量和等于發(fā)電機(jī)的電勢(shì)E。發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻U_z0由電阻R和電感L組成，內(nèi)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(jī)帶滯后負(fù)載（電感性）時(shí)，電勢(shì)E大于輸出電壓隊(duì)較大的電勢(shì)E才能產(chǎn)生需要的輸出電壓U。發(fā)電機(jī)帶超前負(fù)載（電容性時(shí)，發(fā)電機(jī)的電勢(shì)E比輸出電壓U小，即較小的電勢(shì)E即可以產(chǎn)生較大的輸出電壓U。

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

在發(fā)電機(jī)帶較大的超前負(fù)載的情況下，為了維持發(fā)電機(jī)輸出電壓U，電壓調(diào)節(jié)器必須減少轉(zhuǎn)子勵(lì)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(jī)轉(zhuǎn)子的剩磁。即使關(guān)閉電壓調(diào)節(jié)器，將勵(lì)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(dǎo)致輸出過(guò)壓，最終使發(fā)電機(jī)關(guān)機(jī)。因此，發(fā)電機(jī)一般不能帶較大的容性負(fù)載。

三、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件指標(biāo)

上述發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)，甚至關(guān)機(jī)的現(xiàn)象就是所謂發(fā)電機(jī)的"功率因數(shù)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(shù)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(shù)的特定值引起的。例如，如果負(fù)載電流的諧波很大，必然會(huì)引起功率因數(shù)下降，但不會(huì)造成發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)和關(guān)機(jī)。下面將更詳細(xì)的討論這個(gè)問(wèn)題.

每個(gè)發(fā)電機(jī)都有一個(gè)可接受的運(yùn)行條件的指標(biāo)，即發(fā)電機(jī)可以吸收無(wú)功功率（超前不同相電流）的指標(biāo)。圖4示出的是典型的發(fā)電機(jī)容量曲線。描述了發(fā)電機(jī)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）。縱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(zhǔn)的標(biāo)幺值（即單位容量，額定容量的百分?jǐn)?shù)）表示。圖4中放射線是恒功率因數(shù)線。

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

在1區(qū)的工作范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)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(shù)（滯后）在0.8和1.0之間。

在2區(qū)的工作范圍內(nèi)，功率因數(shù)（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(qū)的工作范圍內(nèi)，功率因數(shù)（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(qū)的工作范圍內(nèi)，功率因數(shù)（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(qū)的工作范圍內(nèi)，功率因數(shù)（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(jī)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(shù)負(fù)載的能力非常有限。3區(qū)左邊與4區(qū)（禁止區(qū)）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(jī)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(yùn)行不穩(wěn)的問(wèn)題。例如，1000kVA，功率因數(shù)0.8的發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行不穩(wěn)或關(guān)機(jī)。

發(fā)電機(jī)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(jī)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(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題。

發(fā)電機(jī)吸收無(wú)功功率的能力不采用限定超前功率因數(shù)表示。因?yàn)閺?區(qū)容量曲線中的恒功率因數(shù)線可以發(fā)現(xiàn)，不穩(wěn)定邊界處的功率因數(shù)，隨著輸出有功功率的大小變化很大。引起發(fā)電機(jī)不穩(wěn)的臨界超前功率因數(shù)可以從無(wú)輸出有功功率負(fù)載時(shí)的0.0變到接近滿負(fù)載時(shí)的0.97。超前功率因數(shù)的極限在不同的有功功率負(fù)載下是不同的，故不能規(guī)定一個(gè)具體數(shù)值。

發(fā)電機(jī)在輕載時(shí)，引起運(yùn)行不穩(wěn)的臨界超前功率因數(shù)很低，很容易達(dá)到。負(fù)載較大時(shí)，要求的臨界功率因數(shù)就變得很大。因此，發(fā)電機(jī)輕載時(shí)，不易發(fā)生不穩(wěn)定的問(wèn)題。這也解釋了為什么一個(gè)數(shù)據(jù)中心多年來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)用電負(fù)載隨時(shí)間增大時(shí)，就變得不穩(wěn)了。