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(yùn)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(yùn)行過(guò)程中，常因過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、電源電壓異常等問(wèn)題導(dǎo)致繞組過(guò)熱，若未能及時(shí)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(cè)電機(jī)工作電流，在電流異常時(shí)及時(shí)切斷電路，為直流電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(chǎng)景、選型方法、安裝要點(diǎn)及注意事項(xiàng)，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電氣設(shè)計(jì)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(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體會(huì)因電阻損耗而產(chǎn)生熱量，熱量的積累會(huì)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(dòng)作機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)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(guò)發(fā)熱元件時(shí)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(shí)，熱膨脹系數(shù)大的金屬片會(huì)向熱膨脹系數(shù)小的一側(cè)彎曲，推動(dòng)動(dòng)作機(jī)構(gòu);動(dòng)作機(jī)構(gòu)在雙金屬片的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)機(jī)械聯(lián)動(dòng)，當(dāng)雙金屬片彎曲到一定程度時(shí)，觸發(fā)觸點(diǎn)系統(tǒng)動(dòng)作，將控制電路斷開(kāi)，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(diǎn)恢復(fù)到初始狀態(tài)，分為手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位兩種形式，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇。

與過(guò)電流繼電器、熔斷器等保護(hù)器件相比，熱繼電器具有反時(shí)限保護(hù)特性，即電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短;電流越小，動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)。這種特性與直流電機(jī)的過(guò)載特性相契合 —— 電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)承受較小過(guò)載時(shí)仍可正常工作，無(wú)需立即切斷電源;而當(dāng)過(guò)載電流較大時(shí)，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(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在直流電機(jī)的過(guò)載保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。

二、直流電機(jī)的運(yùn)行特性與保護(hù)需求

直流電機(jī)的運(yùn)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(lì)磁繞組，工作時(shí)電樞繞組通過(guò)電樞電流，在勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在實(shí)際運(yùn)行中，直流電機(jī)面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)包括過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、勵(lì)磁回路故障等，這些故障都會(huì)導(dǎo)致繞組電流異常升高，引發(fā)過(guò)熱問(wèn)題。

從運(yùn)行特性來(lái)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(guò)額定值時(shí)，電樞電流會(huì)隨之增大，即出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。若過(guò)載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電樞繞組的溫度會(huì)超過(guò)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(shí)(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(dòng)勢(shì)消失，電樞電流會(huì)急劇升高至額定電流的 5-10 倍，此時(shí)若不及時(shí)切斷電源，繞組會(huì)在幾秒內(nèi)燒毀。此外，他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁回路若出現(xiàn)斷路，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流消失，電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇升高(即 “飛車(chē)”)，同時(shí)電樞電流也會(huì)異常增大，同樣需要可靠的保護(hù)措施。

基于上述運(yùn)行特性，直流電機(jī)對(duì)保護(hù)器件的核心需求包括：一是能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電樞電流，在電流超過(guò)額定值且持續(xù)一定時(shí)間后可靠動(dòng)作;二是具備反時(shí)限特性，避免在短時(shí)過(guò)載時(shí)誤動(dòng)作;三是動(dòng)作后能夠切斷控制電路，同時(shí)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(mǎn)足這些需求，因此成為直流電機(jī)過(guò)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(chǎng)景與實(shí)現(xiàn)方式

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

在他勵(lì)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(cè)電樞電流。由于他勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁回路與電樞回路相互獨(dú)立，勵(lì)磁電流不受電樞電流影響，因此只需針對(duì)電樞回路設(shè)置過(guò)載保護(hù)即可。具體接線(xiàn)時(shí)，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(diǎn)串聯(lián)在接觸器的線(xiàn)圈回路中。正常運(yùn)行時(shí)，電樞電流通過(guò)發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量不足以使雙金屬片彎曲到動(dòng)作程度，熱繼電器觸點(diǎn)保持閉合，接觸器線(xiàn)圈通電，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)電樞電流因過(guò)載或堵轉(zhuǎn)而增大時(shí)，發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量增加，雙金屬片彎曲觸發(fā)觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器線(xiàn)圈失電，主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電樞回路斷電，電機(jī)停止運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。

在串勵(lì)直流電機(jī)中，由于電樞繞組與勵(lì)磁繞組串聯(lián)，電流同時(shí)通過(guò)兩者，因此熱繼電器同樣串聯(lián)在主回路中，可同時(shí)對(duì)電樞繞組和勵(lì)磁繞組進(jìn)行保護(hù)。但需注意的是，串勵(lì)直流電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速極高，存在 “飛車(chē)” 風(fēng)險(xiǎn)，因此不能僅依賴(lài)熱繼電器進(jìn)行保護(hù)，還需配合過(guò)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(duì)負(fù)載過(guò)載導(dǎo)致的電流升高問(wèn)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(shí)的電流沖擊導(dǎo)致熱繼電器誤動(dòng)作，通常會(huì)在熱繼電器的控制回路中增加延時(shí)電路，或選擇具有抗沖擊特性的熱繼電器型號(hào)。同時(shí)，對(duì)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(wèn)題，此時(shí)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(shí)現(xiàn)間接保護(hù)。

四、熱繼電器的選型要點(diǎn)與安裝維護(hù)

熱繼電器的選型是否合理直接影響其對(duì)直流電機(jī)保護(hù)的可靠性，選型時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)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(hào)。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(yùn)行時(shí)熱繼電器不動(dòng)作，同時(shí)在過(guò)載時(shí)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(dòng)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(duì)于啟動(dòng)電流較大的直流電機(jī)(如串勵(lì)電機(jī))，為避免啟動(dòng)過(guò)程中熱繼電器誤動(dòng)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(shí)仍能迅速動(dòng)作。

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

在安裝與維護(hù)方面，需注意以下幾點(diǎn)：一是熱繼電器應(yīng)安裝在通風(fēng)良好、無(wú)振動(dòng)、無(wú)腐蝕性氣體的環(huán)境中，避免陽(yáng)光直射和高溫?zé)嵩?，以確保其溫度監(jiān)測(cè)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(xiàn)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(dòng)作精度;三是定期檢查熱繼電器的雙金屬片是否變形、觸點(diǎn)是否氧化，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)清理或更換;四是在故障排除后，需根據(jù)復(fù)位方式(手動(dòng)或自動(dòng))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(xiàng)與發(fā)展趨勢(shì)

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

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，熱繼電器也在不斷升級(jí)迭代。一方面，具有智能監(jiān)測(cè)功能的熱繼電器逐漸應(yīng)用于直流電機(jī)保護(hù)中，這類(lèi)熱繼電器可通過(guò)內(nèi)置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)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(lái)越緊密，通過(guò) PLC 編程可實(shí)現(xiàn)更靈活的保護(hù)邏輯，如根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整整定電流和動(dòng)作時(shí)間，進(jìn)一步提高保護(hù)的可靠性和適應(yīng)性。

結(jié)語(yǔ)

熱繼電器作為一種成熟可靠的過(guò)載保護(hù)器件，在直流電機(jī)的安全運(yùn)行中發(fā)揮著不可替代的作用。通過(guò)深入理解熱繼電器的工作原理、直流電機(jī)的運(yùn)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(guò)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(yùn)行。