在工業(yè)電氣控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能、寬廣的調(diào)速范圍以及穩(wěn)定的低速運行特性，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、冶金、軌道交通、船舶等領(lǐng)域。然而，直流電機(jī)在運行過程中，常因過載、堵轉(zhuǎn)、電源電壓異常等問題導(dǎo)致繞組過熱，若未能及時采取保護(hù)措施，輕則損壞電機(jī)絕緣層，重則引發(fā)電機(jī)燒毀甚至安全事故。熱繼電器作為一種基于電流熱效應(yīng)原理的保護(hù)器件，能夠有效監(jiān)測電機(jī)工作電流，在電流異常時及時切斷電路，為直流電機(jī)的安全穩(wěn)定運行提供重要保障。本文將從熱繼電器的工作原理出發(fā)，深入分析其在直流電機(jī)中的應(yīng)用場景、選型方法、安裝要點及注意事項，為工業(yè)現(xiàn)場的電氣設(shè)計與維護(hù)提供參考。

一、熱繼電器的工作原理與結(jié)構(gòu)特性

熱繼電器的核心工作原理是電流的熱效應(yīng)，即當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體會因電阻損耗而產(chǎn)生熱量，熱量的積累會導(dǎo)致導(dǎo)體溫度升高。其結(jié)構(gòu)主要由發(fā)熱元件、雙金屬片、動作機(jī)構(gòu)、觸點系統(tǒng)和復(fù)位機(jī)構(gòu)五部分組成。發(fā)熱元件通常由電阻值穩(wěn)定的合金材料制成，串聯(lián)在直流電機(jī)的主電路中，電機(jī)工作電流通過發(fā)熱元件時產(chǎn)生的熱量直接傳遞給雙金屬片;雙金屬片是熱繼電器的感溫核心，由兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬片碾壓而成，當(dāng)溫度升高時，熱膨脹系數(shù)大的金屬片會向熱膨脹系數(shù)小的一側(cè)彎曲，推動動作機(jī)構(gòu);動作機(jī)構(gòu)在雙金屬片的驅(qū)動下實現(xiàn)機(jī)械聯(lián)動，當(dāng)雙金屬片彎曲到一定程度時，觸發(fā)觸點系統(tǒng)動作，將控制電路斷開，進(jìn)而切斷電機(jī)的主電源;復(fù)位機(jī)構(gòu)則用于在故障排除后，使熱繼電器的觸點恢復(fù)到初始狀態(tài)，分為手動復(fù)位和自動復(fù)位兩種形式，可根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇。

與過電流繼電器、熔斷器等保護(hù)器件相比，熱繼電器具有反時限保護(hù)特性，即電流越大，動作時間越短;電流越小，動作時間越長。這種特性與直流電機(jī)的過載特性相契合 —— 電機(jī)在短時間內(nèi)承受較小過載時仍可正常工作，無需立即切斷電源;而當(dāng)過載電流較大時，必須迅速切斷電路以避免電機(jī)損壞。此外，熱繼電器還具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點，因此在直流電機(jī)的過載保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。

二、直流電機(jī)的運行特性與保護(hù)需求

直流電機(jī)的運行特性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其繞組分為電樞繞組和勵磁繞組，工作時電樞繞組通過電樞電流，在勵磁磁場的作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在實際運行中，直流電機(jī)面臨的主要風(fēng)險包括過載、堵轉(zhuǎn)、勵磁回路故障等，這些故障都會導(dǎo)致繞組電流異常升高，引發(fā)過熱問題。

從運行特性來看，直流電機(jī)的電樞電流與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過額定值時，電樞電流會隨之增大，即出現(xiàn)過載現(xiàn)象。若過載時間過長，電樞繞組的溫度會超過絕緣材料的允許溫度，導(dǎo)致絕緣層老化、損壞，甚至造成繞組短路。更嚴(yán)重的是，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(如負(fù)載卡死、機(jī)械故障等)，電樞轉(zhuǎn)速迅速降至零，反電動勢消失，電樞電流會急劇升高至額定電流的 5-10 倍，此時若不及時切斷電源，繞組會在幾秒內(nèi)燒毀。此外，他勵直流電機(jī)的勵磁回路若出現(xiàn)斷路，會導(dǎo)致勵磁電流消失，電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇升高(即 “飛車”)，同時電樞電流也會異常增大，同樣需要可靠的保護(hù)措施。

基于上述運行特性，直流電機(jī)對保護(hù)器件的核心需求包括：一是能夠準(zhǔn)確監(jiān)測電樞電流，在電流超過額定值且持續(xù)一定時間后可靠動作;二是具備反時限特性，避免在短時過載時誤動作;三是動作后能夠切斷控制電路，同時便于故障排除后的復(fù)位。熱繼電器的工作原理與特性恰好滿足這些需求，因此成為直流電機(jī)過載保護(hù)的重要選擇。

三、熱繼電器在直流電機(jī)中的應(yīng)用場景與實現(xiàn)方式

熱繼電器在直流電機(jī)中的應(yīng)用場景主要圍繞電樞回路的過載保護(hù)展開，根據(jù)直流電機(jī)的勵磁方式(如他勵、并勵、串勵、復(fù)勵)和控制方式的不同，其接線方式和保護(hù)邏輯也存在一定差異。

在他勵直流電機(jī)的控制電路中，熱繼電器通常串聯(lián)在電樞回路中，用于監(jiān)測電樞電流。由于他勵電機(jī)的勵磁回路與電樞回路相互獨立，勵磁電流不受電樞電流影響，因此只需針對電樞回路設(shè)置過載保護(hù)即可。具體接線時，熱繼電器的發(fā)熱元件串聯(lián)在電樞電源與電樞繞組之間，其常閉觸點串聯(lián)在接觸器的線圈回路中。正常運行時，電樞電流通過發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量不足以使雙金屬片彎曲到動作程度，熱繼電器觸點保持閉合，接觸器線圈通電，電機(jī)正常運轉(zhuǎn);當(dāng)電樞電流因過載或堵轉(zhuǎn)而增大時，發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量增加，雙金屬片彎曲觸發(fā)觸點斷開，接觸器線圈失電，主觸點斷開，電樞回路斷電，電機(jī)停止運行，從而實現(xiàn)過載保護(hù)。

在串勵直流電機(jī)中，由于電樞繞組與勵磁繞組串聯(lián)，電流同時通過兩者，因此熱繼電器同樣串聯(lián)在主回路中，可同時對電樞繞組和勵磁繞組進(jìn)行保護(hù)。但需注意的是，串勵直流電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速極高，存在 “飛車” 風(fēng)險，因此不能僅依賴熱繼電器進(jìn)行保護(hù)，還需配合過流繼電器或超速保護(hù)裝置，而熱繼電器主要負(fù)責(zé)應(yīng)對負(fù)載過載導(dǎo)致的電流升高問題。

此外，在直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路中，為避免正反轉(zhuǎn)切換時的電流沖擊導(dǎo)致熱繼電器誤動作，通常會在熱繼電器的控制回路中增加延時電路，或選擇具有抗沖擊特性的熱繼電器型號。同時，對于功率較大的直流電機(jī)，由于電樞電流較大，直接使用熱繼電器可能存在發(fā)熱元件容量不足的問題，此時可采用電流互感器將電樞電流按比例縮小，再配合與互感器變比匹配的熱繼電器，實現(xiàn)間接保護(hù)。

四、熱繼電器的選型要點與安裝維護(hù)

熱繼電器的選型是否合理直接影響其對直流電機(jī)保護(hù)的可靠性，選型時需重點關(guān)注以下幾個參數(shù)：

一是額定電流。熱繼電器的額定電流應(yīng)與直流電機(jī)的額定電樞電流相匹配，通常選擇額定電流等于或略大于電機(jī)額定電樞電流的熱繼電器型號。例如，若電機(jī)額定電樞電流為 10A，可選擇額定電流為 10-12.5A 的熱繼電器，以確保在電機(jī)正常運行時熱繼電器不動作，同時在過載時能夠可靠觸發(fā)。

二是整定電流。熱繼電器的整定電流是指其動作電流的調(diào)整范圍，整定電流應(yīng)根據(jù)電機(jī)的額定電樞電流進(jìn)行調(diào)整，通常將整定電流設(shè)置為電機(jī)額定電樞電流的 1.05-1.2 倍。對于啟動電流較大的直流電機(jī)(如串勵電機(jī))，為避免啟動過程中熱繼電器誤動作，可將整定電流適當(dāng)提高至額定電流的 1.2-1.5 倍，但需確保在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時仍能迅速動作。

三是動作時間特性。不同型號的熱繼電器具有不同的反時限特性曲線，選型時需根據(jù)電機(jī)的過載能力選擇匹配的特性曲線。例如，對于允許短時間過載的電機(jī)，應(yīng)選擇動作時間較長的熱繼電器;而對于過載能力較弱的電機(jī)，則需選擇動作時間較短的型號。

在安裝與維護(hù)方面，需注意以下幾點：一是熱繼電器應(yīng)安裝在通風(fēng)良好、無振動、無腐蝕性氣體的環(huán)境中，避免陽光直射和高溫?zé)嵩矗源_保其溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性;二是發(fā)熱元件應(yīng)與電樞回路緊密串聯(lián)，接線端子需牢固連接，避免因接觸不良導(dǎo)致發(fā)熱，影響熱繼電器的動作精度;三是定期檢查熱繼電器的雙金屬片是否變形、觸點是否氧化，若發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時清理或更換;四是在故障排除后，需根據(jù)復(fù)位方式(手動或自動)進(jìn)行復(fù)位，確保熱繼電器恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

五、應(yīng)用中的注意事項與發(fā)展趨勢

盡管熱繼電器在直流電機(jī)保護(hù)中具有顯著優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍需注意其局限性：一是熱繼電器無法對直流電機(jī)的勵磁回路故障(如勵磁斷路)進(jìn)行保護(hù)，因此需配合勵磁回路保護(hù)器件(如欠電流繼電器)使用;二是熱繼電器的動作速度受環(huán)境溫度影響較大，若環(huán)境溫度過高，可能導(dǎo)致其在正常電流下誤動作，此時需選擇具有溫度補(bǔ)償功能的熱繼電器;三是對于頻繁啟動、正反轉(zhuǎn)的直流電機(jī)，熱繼電器的使用壽命可能會縮短，需加強(qiáng)維護(hù)檢查。

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，熱繼電器也在不斷升級迭代。一方面，具有智能監(jiān)測功能的熱繼電器逐漸應(yīng)用于直流電機(jī)保護(hù)中，這類熱繼電器可通過內(nèi)置傳感器實時監(jiān)測電機(jī)的電流、溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)上傳至控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷;另一方面，熱繼電器與可編程邏輯控制器(PLC)的結(jié)合越來越緊密，通過 PLC 編程可實現(xiàn)更靈活的保護(hù)邏輯，如根據(jù)電機(jī)的運行狀態(tài)動態(tài)調(diào)整整定電流和動作時間，進(jìn)一步提高保護(hù)的可靠性和適應(yīng)性。

結(jié)語

熱繼電器作為一種成熟可靠的過載保護(hù)器件，在直流電機(jī)的安全運行中發(fā)揮著不可替代的作用。通過深入理解熱繼電器的工作原理、直流電機(jī)的運行特性，合理選擇、安裝和維護(hù)熱繼電器，能夠有效避免電機(jī)因過載、堵轉(zhuǎn)等故障導(dǎo)致的損壞，降低工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備故障率和維護(hù)成本。隨著智能電氣技術(shù)的發(fā)展，熱繼電器將朝著更智能、更高效、更集成的方向發(fā)展，為直流電機(jī)的保護(hù)提供更全面的解決方案，助力工業(yè)電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。