一、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

在深入分析電壓形成機(jī)理前，首先厘清基礎(chǔ)問題：電機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式。

市電直接驅(qū)動(dòng)屬于較為傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案。市電輸出標(biāo)準(zhǔn)三相正弦電壓，三相電壓的頻率、幅值保持一致，相位彼此相差120°。三相電源處于理想平衡狀態(tài)時(shí)，三相共模電壓能夠相互抵消，相線與電機(jī)機(jī)殼之間難以形成電位差，共模電壓近似為零，相線之間的差模電壓穩(wěn)定均衡。需要注意：除大機(jī)座型號(hào)電機(jī)外，一般無需配置軸承防護(hù)器件。

變頻器驅(qū)動(dòng)是當(dāng)下工業(yè)主流方案。變頻器（VFD）依靠?jī)?nèi)部IGBT等功率器件高速通斷工作，三相電壓在零電位、正電位、負(fù)電位之間快速切換，相電壓VV、VU、VW呈現(xiàn)矩形脈沖形態(tài)，在絕大多數(shù)工況下三相電壓無法維持對(duì)稱，系統(tǒng)共模電壓不為零。

這兩種驅(qū)動(dòng)方式的差異，正是剖析差模電壓與共模電壓?jiǎn)栴}的切入點(diǎn)。

二、什么是共模電壓和差模電壓？

在強(qiáng)電系統(tǒng)內(nèi)，共模電壓（Common Mode Voltage）定義為相與地之間的電壓：三相繞組中性點(diǎn)對(duì)地電壓即為共模電壓，也稱作零序電壓，計(jì)算公式：Vcm=(VV+VU+VW)/3。

差模電壓（Differential Mode Voltage）指相與相之間的電壓，也就是定子繞組任意兩相（U-V、V-W、U-W）之間的電位差，典型表達(dá)式：Vdm=VV-VU。

三、形成原理和過程

1、想要理清電壓的產(chǎn)生機(jī)理，首先認(rèn)識(shí)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼（機(jī)座）三大核心部件構(gòu)成。UVW三相繞組對(duì)稱嵌裝于定子鐵芯線槽內(nèi)，常見接線形式為星形（Y型）與三角形接法。

轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸剛性連接，轉(zhuǎn)軸依靠軸承支承于機(jī)殼；

定子與轉(zhuǎn)子不存在直接機(jī)械接觸，中間存在均勻氣隙。

定子固定安裝在機(jī)殼內(nèi)側(cè)，機(jī)殼（機(jī)座）承擔(dān)機(jī)械支撐與防護(hù)作用，一般進(jìn)行接地處理，作為電機(jī)電氣系統(tǒng)的參考地。

金屬機(jī)殼和內(nèi)部繞組、轉(zhuǎn)子之間不存在直接電氣連接，中間存在絕緣紙、浸漬漆、漆包漆膜、空氣、油膜等絕緣介質(zhì)。繞組與金屬機(jī)殼分別等效為平行板電容器的兩塊極板，形成寄生電容。

以此類推，電機(jī)內(nèi)部除定子繞組與機(jī)殼間等效電容Cwf外，還存在轉(zhuǎn)子與機(jī)殼等效電容Crf（金屬轉(zhuǎn)軸和機(jī)殼之間由油膜、空氣隔離，轉(zhuǎn)子可在繞組交變磁場(chǎng)作用下感應(yīng)出交變電位）、定子與轉(zhuǎn)子等效電容Cwr、驅(qū)動(dòng)端軸承與轉(zhuǎn)軸等效電容Cb,de、非驅(qū)動(dòng)端軸承與轉(zhuǎn)軸等效電容Cb,nde等，共同組成復(fù)雜的寄生電容網(wǎng)絡(luò)。

這類寄生電容容量普遍較小，多處于皮法至納法量級(jí)。依據(jù)容抗公式$X_s = 1/(2\pi fC)$，低頻條件下容抗可達(dá)兆歐級(jí)別；但在高頻高壓工況中，容抗會(huì)隨頻率上升明顯降低，成為高頻電流重要的傳導(dǎo)路徑。

2、差模電壓的形成過程和影響因素

①差模電壓主要產(chǎn)生來源 

三相電源固有不平衡：電壓幅值偏差、相位不對(duì)稱，為基礎(chǔ)誘因； 

電網(wǎng)諧波干擾：諧波疊加至基波電壓，加大相線間壓差波動(dòng)； 

接地不良：會(huì)間接影響三相電壓對(duì)稱性，但對(duì)差模電壓影響程度較低。

②電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不對(duì)稱會(huì)放大差模電壓，典型情況包含三相繞組匝數(shù)不一致、導(dǎo)線電阻不均、定子磁路存在偏差、氣隙分布不均勻等。

3、共模電壓的形成過程和影響因素

①共模電壓主要形成來源

變頻器引發(fā)的衍生效應(yīng)：多數(shù)變頻器采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，依靠IGBT等功率器件高頻通斷擬合正弦波形。該高頻開關(guān)動(dòng)作使電機(jī)三相繞組中性點(diǎn)產(chǎn)生高頻電壓脈動(dòng)，脈動(dòng)經(jīng)由繞組對(duì)地電容形成回路，直接產(chǎn)生共模電壓；

三相不平衡造成電位偏移：實(shí)際工況下負(fù)載不均衡、線路阻抗不一致會(huì)造成三相電壓不對(duì)稱，電機(jī)中性點(diǎn)電位偏離零電位，形成基礎(chǔ)共模電壓；

電機(jī)分布電容傳導(dǎo)效應(yīng)：電機(jī)繞組與機(jī)殼、電纜相線與地線間存在分布電容，高頻工況下可為共模電流提供傳導(dǎo)路徑，進(jìn)一步放大共模電壓帶來的影響。

②共模電壓受耦合強(qiáng)度、接地條件、變頻器輸出參數(shù)共同影響：

耦合強(qiáng)度：寄生電容越大（定子與機(jī)殼間距、氣隙尺寸偏?。?，電位耦合作用越強(qiáng)；

接地狀態(tài)：機(jī)殼接地電阻偏大或接地連接松動(dòng)時(shí)，電荷無法及時(shí)泄放，繞組與機(jī)殼、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間電位差不斷積聚，造成共模電壓顯著上升；

變頻器參數(shù)：變頻器脈沖頻率越高、電壓變化率dv/dt越大，中性點(diǎn)高頻脈動(dòng)越劇烈，共模電壓幅值與變化速率隨之增大。

四、為什么要關(guān)注差模/共模電壓？

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)，共模電壓與差模電壓同步存在，二者誘發(fā)的各類問題是電機(jī)故障的重要誘因。

差模電壓會(huì)造成電機(jī)溫升上升、鐵損耗增大，沖擊繞組絕緣，加劇電壓與電流不平衡現(xiàn)象。共模電壓則易造成軸承電腐蝕、軸電壓損壞密封件，產(chǎn)生電磁干擾（EMI），加速絕緣老化，帶來機(jī)殼帶電等安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)干擾檢測(cè)與信號(hào)反饋系統(tǒng)。

抑制方案：

選用低諧波變頻器，增設(shè)差模濾波器或共模濾波器，抑制諧波、降低高頻共模電壓幅值；采用高導(dǎo)熱絕緣材料，改善電機(jī)繞組散熱條件。保證機(jī)殼可靠接地，同時(shí)在轉(zhuǎn)軸配置導(dǎo)電接地環(huán)，將轉(zhuǎn)子積累的電荷導(dǎo)入機(jī)殼，為寄生電容提供泄放通道，防止軸電壓擊穿誘發(fā)軸承電腐蝕。