一、電機驅(qū)動方案

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

市電直接驅(qū)動屬于較為傳統(tǒng)的驅(qū)動方案。市電輸出標(biāo)準三相正弦電壓，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，三相共模電壓能夠相互抵消，相線與電機機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：除大機座型號電機外，一般無需配置軸承防護器件。

變頻器驅(qū)動是當(dāng)下工業(yè)主流方案。變頻器（VFD）依靠內(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稱，系統(tǒng)共模電壓不為零。

這兩種驅(qū)動方式的差異，正是剖析差模電壓與共模電壓問題的切入點。

二、什么是共模電壓和差模電壓？

在強電系統(tǒng)內(nèi)，共模電壓（Common Mode Voltage）定義為相與地之間的電壓：三相繞組中性點對地電壓即為共模電壓，也稱作零序電壓，計算公式：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，典型表達式：Vdm=VV-VU。

三、形成原理和過程

1、想要理清電壓的產(chǎn)生機理，首先認識電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、機殼（機座）三大核心部件構(gòu)成。UVW三相繞組對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殼；

定子與轉(zhuǎn)子不存在直接機械接觸，中間存在均勻氣隙。

定子固定安裝在機殼內(nèi)側(cè)，機殼（機座）承擔(dān)機械支撐與防護作用，一般進行接地處理，作為電機電氣系統(tǒng)的參考地。

金屬機殼和內(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，電機內(nèi)部除定子繞組與機殼間等效電容Cwf外，還存在轉(zhuǎn)子與機殼等效電容Crf（金屬轉(zhuǎn)軸和機殼之間由油膜、空氣隔離，轉(zhuǎn)子可在繞組交變磁場作用下感應(yīng)出交變電位）、定子與轉(zhuǎn)子等效電容Cwr、驅(qū)動端軸承與轉(zhuǎn)軸等效電容Cb,de、非驅(qū)動端軸承與轉(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。依據(jù)容抗公式$X_s = 1/(2\pi fC)$，低頻條件下容抗可達兆歐級別；但在高頻高壓工況中，容抗會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； 

接地不良：會間接影響三相電壓對稱性，但對差模電壓影響程度較低。

②電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)不對稱會放大差模電壓，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)動作使電機三相繞組中性點產(chǎn)生高頻電壓脈動，脈動經(jīng)由繞組對地電容形成回路，直接產(chǎn)生共模電壓；

三相不平衡造成電位偏移：實際工況下負載不均衡、線路阻抗不一致會造成三相電壓不對稱，電機中性點電位偏離零電位，形成基礎(chǔ)共模電壓；

電機分布電容傳導(dǎo)效應(yīng)：電機繞組與機殼、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，進一步放大共模電壓帶來的影響。

②共模電壓受耦合強度、接地條件、變頻器輸出參數(shù)共同影響：

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

接地狀態(tài)：機殼接地電阻偏大或接地連接松動時，電荷無法及時泄放，繞組與機殼、轉(zhuǎn)子與機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，中性點高頻脈動越劇烈，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)的各類問題是電機故障的重要誘因。

差模電壓會造成電機溫升上升、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，帶來機殼帶電等安全風(fēng)險，同時干擾檢測與信號反饋系統(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，改善電機繞組散熱條件。保證機殼可靠接地，同時在轉(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。