热继电器在直流电机中的应用解析

在工业电气控制系统中，直流电机凭借其优良的调速性能、宽广的调速范围以及稳定的低速运行特性，被广泛应用于机床、冶金、轨道交通、船舶等领域。然而，直流电机在运行过程中，常因过载、堵转、电源电压异常等问题导致绕组过热，若未能及时采取保护措施，轻则损坏电机绝缘层，重则引发电机烧毁甚至安全事故。热继电器作为一种基于电流热效应原理的保护器件，能够有效监测电机工作电流，在电流异常时及时切断电路，为直流电机的安全稳定运行提供重要保障。本文将从热继电器的工作原理出发，深入分析其在直流电机中的应用场景、选型方法、安装要点及注意事项，为工业现场的电气设计与维护提供参考。

一、热继电器的工作原理与结构特性

热继电器的核心工作原理是电流的热效应，即当电流通过导体时，导体会因电阻损耗而产生热量，热量的积累会导致导体温度升高。其结构主要由发热元件、双金属片、动作机构、触点系统和复位机构五部分组成。发热元件通常由电阻值稳定的合金材料制成，串联在直流电机的主电路中，电机工作电流通过发热元件时产生的热量直接传递给双金属片;双金属片是热继电器的感温核心，由两种热膨胀系数不同的金属片碾压而成，当温度升高时，热膨胀系数大的金属片会向热膨胀系数小的一侧弯曲，推动动作机构;动作机构在双金属片的驱动下实现机械联动，当双金属片弯曲到一定程度时，触发触点系统动作，将控制电路断开，进而切断电机的主电源;复位机构则用于在故障排除后，使热继电器的触点恢复到初始状态，分为手动复位和自动复位两种形式，可根据实际应用场景选择。

与过电流继电器、熔断器等保护器件相比，热继电器具有反时限保护特性，即电流越大，动作时间越短;电流越小，动作时间越长。这种特性与直流电机的过载特性相契合 —— 电机在短时间内承受较小过载时仍可正常工作，无需立即切断电源;而当过载电流较大时，必须迅速切断电路以避免电机损坏。此外，热继电器还具有结构简单、成本低廉、维护方便等优点，因此在直流电机的过载保护中得到广泛应用。

二、直流电机的运行特性与保护需求

直流电机的运行特性与其结构密切相关，其绕组分为电枢绕组和励磁绕组，工作时电枢绕组通过电枢电流，在励磁磁场的作用下产生电磁转矩，驱动电机旋转。在实际运行中，直流电机面临的主要风险包括过载、堵转、励磁回路故障等，这些故障都会导致绕组电流异常升高，引发过热问题。

从运行特性来看，直流电机的电枢电流与负载转矩成正比，当负载转矩超过额定值时，电枢电流会随之增大，即出现过载现象。若过载时间过长，电枢绕组的温度会超过绝缘材料的允许温度，导致绝缘层老化、损坏，甚至造成绕组短路。更严重的是，当电机发生堵转时(如负载卡死、机械故障等)，电枢转速迅速降至零，反电动势消失，电枢电流会急剧升高至额定电流的 5-10 倍，此时若不及时切断电源，绕组会在几秒内烧毁。此外，他励直流电机的励磁回路若出现断路，会导致励磁电流消失，电机转速急剧升高(即 “飞车”)，同时电枢电流也会异常增大，同样需要可靠的保护措施。

基于上述运行特性，直流电机对保护器件的核心需求包括：一是能够准确监测电枢电流，在电流超过额定值且持续一定时间后可靠动作;二是具备反时限特性，避免在短时过载时误动作;三是动作后能够切断控制电路，同时便于故障排除后的复位。热继电器的工作原理与特性恰好满足这些需求，因此成为直流电机过载保护的重要选择。

三、热继电器在直流电机中的应用场景与实现方式

热继电器在直流电机中的应用场景主要围绕电枢回路的过载保护展开，根据直流电机的励磁方式(如他励、并励、串励、复励)和控制方式的不同，其接线方式和保护逻辑也存在一定差异。

在他励直流电机的控制电路中，热继电器通常串联在电枢回路中，用于监测电枢电流。由于他励电机的励磁回路与电枢回路相互独立，励磁电流不受电枢电流影响，因此只需针对电枢回路设置过载保护即可。具体接线时，热继电器的发热元件串联在电枢电源与电枢绕组之间，其常闭触点串联在接触器的线圈回路中。正常运行时，电枢电流通过发热元件产生的热量不足以使双金属片弯曲到动作程度，热继电器触点保持闭合，接触器线圈通电，电机正常运转;当电枢电流因过载或堵转而增大时，发热元件产生的热量增加，双金属片弯曲触发触点断开，接触器线圈失电，主触点断开，电枢回路断电，电机停止运行，从而实现过载保护。

在串励直流电机中，由于电枢绕组与励磁绕组串联，电流同时通过两者，因此热继电器同样串联在主回路中，可同时对电枢绕组和励磁绕组进行保护。但需注意的是，串励直流电机的空载转速极高，存在 “飞车” 风险，因此不能仅依赖热继电器进行保护，还需配合过流继电器或超速保护装置，而热继电器主要负责应对负载过载导致的电流升高问题。

此外，在直流电机的正反转控制电路中，为避免正反转切换时的电流冲击导致热继电器误动作，通常会在热继电器的控制回路中增加延时电路，或选择具有抗冲击特性的热继电器型号。同时，对于功率较大的直流电机，由于电枢电流较大，直接使用热继电器可能存在发热元件容量不足的问题，此时可采用电流互感器将电枢电流按比例缩小，再配合与互感器变比匹配的热继电器，实现间接保护。

四、热继电器的选型要点与安装维护

热继电器的选型是否合理直接影响其对直流电机保护的可靠性，选型时需重点关注以下几个参数：

一是额定电流。热继电器的额定电流应与直流电机的额定电枢电流相匹配，通常选择额定电流等于或略大于电机额定电枢电流的热继电器型号。例如，若电机额定电枢电流为 10A，可选择额定电流为 10-12.5A 的热继电器，以确保在电机正常运行时热继电器不动作，同时在过载时能够可靠触发。

二是整定电流。热继电器的整定电流是指其动作电流的调整范围，整定电流应根据电机的额定电枢电流进行调整，通常将整定电流设置为电机额定电枢电流的 1.05-1.2 倍。对于启动电流较大的直流电机(如串励电机)，为避免启动过程中热继电器误动作，可将整定电流适当提高至额定电流的 1.2-1.5 倍，但需确保在电机堵转时仍能迅速动作。

三是动作时间特性。不同型号的热继电器具有不同的反时限特性曲线，选型时需根据电机的过载能力选择匹配的特性曲线。例如，对于允许短时间过载的电机，应选择动作时间较长的热继电器;而对于过载能力较弱的电机，则需选择动作时间较短的型号。

在安装与维护方面，需注意以下几点：一是热继电器应安装在通风良好、无振动、无腐蚀性气体的环境中，避免阳光直射和高温热源，以确保其温度监测的准确性;二是发热元件应与电枢回路紧密串联，接线端子需牢固连接，避免因接触不良导致发热，影响热继电器的动作精度;三是定期检查热继电器的双金属片是否变形、触点是否氧化，若发现问题应及时清理或更换;四是在故障排除后，需根据复位方式(手动或自动)进行复位，确保热继电器恢复正常工作状态。

五、应用中的注意事项与发展趋势

尽管热继电器在直流电机保护中具有显著优势，但在实际应用中仍需注意其局限性：一是热继电器无法对直流电机的励磁回路故障(如励磁断路)进行保护，因此需配合励磁回路保护器件(如欠电流继电器)使用;二是热继电器的动作速度受环境温度影响较大，若环境温度过高，可能导致其在正常电流下误动作，此时需选择具有温度补偿功能的热继电器;三是对于频繁启动、正反转的直流电机，热继电器的使用寿命可能会缩短，需加强维护检查。

随着工业自动化技术的发展，热继电器也在不断升级迭代。一方面，具有智能监测功能的热继电器逐渐应用于直流电机保护中，这类热继电器可通过内置传感器实时监测电机的电流、温度等参数，并将数据上传至控制系统，实现远程监控和故障诊断;另一方面，热继电器与可编程逻辑控制器(PLC)的结合越来越紧密，通过 PLC 编程可实现更灵活的保护逻辑，如根据电机的运行状态动态调整整定电流和动作时间，进一步提高保护的可靠性和适应性。

结语

热继电器作为一种成熟可靠的过载保护器件，在直流电机的安全运行中发挥着不可替代的作用。通过深入理解热继电器的工作原理、直流电机的运行特性，合理选择、安装和维护热继电器，能够有效避免电机因过载、堵转等故障导致的损坏，降低工业生产中的设备故障率和维护成本。随着智能电气技术的发展，热继电器将朝着更智能、更高效、更集成的方向发展，为直流电机的保护提供更全面的解决方案，助力工业电气系统的安全稳定运行。