一、交流發電機的基本原理

交流發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電機的，必須了解發電機的一些關鍵原理。

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

目前，數據中心均采用無刷交流同步發電機，不采用電刷。圖1是無刷交流同步發電機電路原理圖。發電機的勵磁直流電源是位于轉子上的一個小交流發電機和三相橋式整流器產生的，用于發電機主磁場勵磁，發電機定子繞組（主電樞）就產生發電機三相交流輸出電壓。轉子上勵磁機發電機的磁場在定子上，其勵磁直流源是由三相交流電（引自發電機輸出）整流得到的。無刷交流同步發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。不同性質的負載對發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。

當發電機為負載供電時，負載電流通過定子繞組也會產生旋轉磁場，定子的旋轉磁場與轉子的旋轉磁場疊加。當負載有一些不同相電流（無功電流）時，轉子磁場強度會被定子產生的磁場加強或減弱。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強度，調節器必須增加旋轉磁場的勵磁電流進行補償。與此相反，如果負載有超前不同相電流，它在定子產生的磁場是增強了轉子旋轉磁場的強度的。調節器必須減少勵磁電流以進行補償。這樣來維持所要求的輸出電壓。當負載功率因數為1時，負載電流流過定子產生的旋轉磁場對轉子旋轉磁場基本沒有影響，轉子磁場強度僅僅由勵磁電流確定，即由發電機電無水壓調節器控制。

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，磁場會增強到很大，即使調節器不再供給勵磁電流了，磁場仍然很大。因為發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某一點時，電壓調節器就不能進行補償了，調節器就關閉了。發電機的輸出電壓失去控制，不斷上升。結果是發電機的控制電路檢測到輸出電壓過高并立刻關機。

下面通過發電機輸出電壓向量圖進一步分析超前不同相電流的影響。其中，發電機輸出電壓U與發電機內阻Z 的壓降Uz的向量和等于發電機的電勢E。發電機的內阻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。

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

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

在發電機帶較大的超前負載的情況下，為了維持發電機輸出電壓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，定子電流產生的磁場，加上發電機轉子的剩磁。即使關閉電壓調節器，將勵磁電流減到零，仍有足夠的磁場產生較大的輸出電壓，這將導致輸出過壓，最終使發電機關機。因此，發電機一般不能帶較大的容性負載。

三、發電機的運行條件指標

上述發電機運行不穩，甚至關機的現象就是所謂發電機的"功率因數問題"。這個問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，功率因數會下降，但這個問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，必然會引起功率因數下降，但不會造成發電機運行不穩和關機。下面將更詳細的討論這個問題.

每個發電機都有一個可接受的運行條件的指標，即發電機可以吸收無功功率（超前不同相電流）的指標。圖4示出的是典型的發電機容量曲線。描述了發電機輸出和輸入功率的能力。橫軸表示輸出和輸入的無功功率（kVAr），右邊是輸出無功功率（正向無功功率），左邊是輸入無功功率（反向無功功率）。縱軸表示輸出的有功功率（kW）。無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中放射線是恒功率因數線。

如圖2所示，發電機的工作范圍分為5個區。1區是典型發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損壞設備。4區和5區是禁止運行的工作范圍，會造成設備損壞或運行異常。

在1區的工作范圍內，發電機組的輸出有功功率（kW）在額定有功功率的0和100%之間，輸出的無功功率（kVAr）在額定無功功率的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，發電機吸收無功功率的能力比輸出無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）的邊界位于輸入無功功率大約0.2處的縱軸，表示發電機吸收的無功功率如果大于額定無功功率的20%就會造成運行不穩的問題。例如，1000kVA，功率因數0.8的發電機組，其額定無功功率為600kVAr，如果其輸入無功功率大于120kVAr，就會引起發電機運行不穩或關機。

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

發電機吸收無功功率的能力不采用限定超前功率因數表示。因為從2區容量曲線中的恒功率因數線可以發現，不穩定邊界處的功率因數，隨著輸出有功功率的大小變化很大。引起發電機不穩的臨界超前功率因數可以從無輸出有功功率負載時的0.0變到接近滿負載時的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，故不能規定一個具體數值。

發電機在輕載時，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，要求的臨界功率因數就變得很大。因此，發電機輕載時，不易發生不穩定的問題。這也解釋了為什么一個數據中心多年來運行穩定，當用電負載隨時間增大時，就變得不穩了。