康明斯动力设备（深圳）有限公司

一、交流发电机的基本原理

交流发电机的结构和物理特性是非常复杂的，已超出本文的范围，但是，为了理解超前功率因数负载是如何影响发电机的，必须了解发电机的一些关键原理。

图1是交流发电机工作原理示意图，其中有一个旋转磁场，是由转子绕组产生的。如图1所示，励磁直流电源加在转子绕组上，励磁电流流过绕组时就会产生旋转磁场。这个旋转磁场使定子绕组不断地切割磁力线，在定子绕组上就产生3相电压（电势）。发电机的电压调节器连续测量输出电压，并通过调节励磁电流调节输出电压。如果负载突然增加引起发电机输出电压下降，电压调节器即稍稍增加磁场电流，使输出电压回升。反之亦然，因此可以稳定输出电压。转子磁场需要的直流电源经滑环和电刷供给。

目前，数据中心均采用无刷交流同步发电机，不采用电刷。图1是无刷交流同步发电机电路原理图。发电机的励磁直流电源是位于转子上的一个小交流发电机和三相桥式整流器产生的，用于发电机主磁场励磁，发电机定子绕组（主电枢）就产生发电机三相交流输出电压。转子上励磁机发电机的磁场在定子上，其励磁直流源是由三相交流电（引自发电机输出）整流得到的。无刷交流同步发电机的基本工作原理与图1相同。

二、超前功率因数负载的影响

如前所述，不同性质负载的主要区别在于负载电流相对于电压的相位不同。超前功率因数（电容性）负载电流超前，滞后功率因数（电感性）负载电流滞后，功率因数1的（电阻性）负载电流与电压同相。不同性质的负载对发电机的影响也体现在电流的相位上。以下的讨论侧重于电流的相位。

当发电机为负载供电时，负载电流通过定子绕组也会产生旋转磁场，定子的旋转磁场与转子的旋转磁场叠加。当负载有一些不同相电流（无功电流）时，转子磁场强度会被定子产生的磁场加强或减弱。例如，如果负载有滞后不同相电流，它将部分地抵消转子旋转磁场强度，调节器必须增加旋转磁场的励磁电流进行补偿。与此相反，如果负载有超前不同相电流，它在定子产生的磁场是增强了转子旋转磁场的强度的。调节器必须减少励磁电流以进行补偿。这样来维持所要求的输出电压。当负载功率因数为1时，负载电流流过定子产生的旋转磁场对转子旋转磁场基本没有影响，转子磁场强度仅仅由励磁电流确定，即由发电机电无水压调节器控制。

电压调节器能在很宽的负载条件下（包括各种超前和滞后不同相电流）保持输出电压稳定。但是，当超前不同相电流变得很大时，磁场会增强到很大，即使调节器不再供给励磁电流了，磁场仍然很大。因为发电机的调节器不可能提供负的励磁电流。所以当超前不同相电流超过某一点时，电压调节器就不能进行补偿了，调节器就关闭了。发电机的输出电压失去控制，不断上升。结果是发电机的控制电路检测到输出电压过高并立刻关机。

下面通过发电机输出电压向量图进一步分析超前不同相电流的影响。其中，发电机输出电压U与发电机内阻Z 的压降Uz的向量和等于发电机的电势E。发电机的内阻U_z0由电阻R和电感L组成，内阻压降U_z0等于电阻压降U_R和电感压降U_L的向量和。

发电机带滞后负载（电感性）时，电势E大于输出电压队较大的电势E才能产生需要的输出电压U。发电机带超前负载（电容性时，发电机的电势E比输出电压U小，即较小的电势E即可以产生较大的输出电压U。

在给定的励磁电流和负载电流幅度的情况下，带滞后负载时产生的电势E较小，带超前负载时产生的电势E较大。

在发电机带较大的超前负载的情况下，为了维持发电机输出电压U，电压调节器必须减少转子励磁电流以降低输出电压。但是，定子电流产生的磁场，加上发电机转子的剩磁。即使关闭电压调节器，将励磁电流减到零，仍有足够的磁场产生较大的输出电压，这将导致输出过压，最终使发电机关机。因此，发电机一般不能带较大的容性负载。

三、发电机的运行条件指标

上述发电机运行不稳，甚至关机的现象就是所谓发电机的"功率因数问题"。这个问题不是由谐波电流引起的。也不是由滞后不同相电流引起的。它是由大于某阈值的超前不同相电流引起的。必须指出，虽然超前不同相电流存在时，功率因数会下降，但这个问题的根源是超前不同相电流，而不是功率因数的特定值引起的。例如，如果负载电流的谐波很大，必然会引起功率因数下降，但不会造成发电机运行不稳和关机。下面将更详细的讨论这个问题.

每个发电机都有一个可接受的运行条件的指标，即发电机可以吸收无功功率（超前不同相电流）的指标。图4示出的是典型的发电机容量曲线。描述了发电机输出和输入功率的能力。横轴表示输出和输入的无功功率（kVAr），右边是输出无功功率（正向无功功率），左边是输入无功功率（反向无功功率）。纵轴表示输出的有功功率（kW）。无功功率和有功功率均用以额定容量为基准的标幺值（即单位容量，额定容量的百分数）表示。图4中放射线是恒功率因数线。

如图2所示，发电机的工作范围分为5个区。1区是典型发电机的正常工作范围。2区和3区是非正常工作范围但不会损坏设备。4区和5区是禁止运行的工作范围，会造成设备损坏或运行异常。

在1区的工作范围内，发电机组的输出有功功率（kW）在额定有功功率的0和100%之间，输出的无功功率（kVAr）在额定无功功率的0和60%之间，功率因数（滞后）在0.8和1.0之间。

在2区的工作范围内，功率因数（滞后）在0和0.8 之间。输出有功功率在0和0.6之间，输出无功功率在0和0.85之间。

在3区的工作范围内，功率因数（超前）在0.97和1 之间。输入的无功功率在0和0.2之间，输出有功功率在0和1之间。

在4区的工作范围内，功率因数（超前）在0和0.97 之间。输入的无功功率在0.2和1之间，输出有功功率在0和0.98之间。

在5区的工作范围内，功率因数（滞后）在0.8和0 之间。输出的无功功率在0和0.8之间，输出有功功率在0和0.6之间。

由上可以看出，发电机吸收无功功率的能力比输出无功功率的能力小得多。因此带超前功率因数负载的能力非常有限。3区左边与4区（禁止区）的边界位于输入无功功率大约0.2处的纵轴，表示发电机吸收的无功功率如果大于额定无功功率的20%就会造成运行不稳的问题。例如，1000kVA，功率因数0.8的发电机组，其额定无功功率为600kVAr，如果其输入无功功率大于120kVAr，就会引起发电机运行不稳或关机。

发电机吸收无功功率的能力用反向无功功率的极限表示，也可用超前无功电流极限表示。所以，发电机工作时的超前无功电流必须小于额定无功电流的20%，以防止发生运行不稳定的问题。

发电机吸收无功功率的能力不采用限定超前功率因数表示。因为从2区容量曲线中的恒功率因数线可以发现，不稳定边界处的功率因数，随着输出有功功率的大小变化很大。引起发电机不稳的临界超前功率因数可以从无输出有功功率负载时的0.0变到接近满负载时的0.97。超前功率因数的极限在不同的有功功率负载下是不同的，故不能规定一个具体数值。

发电机在轻载时，引起运行不稳的临界超前功率因数很低，很容易达到。负载较大时，要求的临界功率因数就变得很大。因此，发电机轻载时，不易发生不稳定的问题。这也解释了为什么一个数据中心多年来运行稳定，当用电负载随时间增大时，就变得不稳了。