在工業(yè)電氣控制系統中，直流電機憑借其優(yōu)良的調速性能、寬廣的調速范圍以及穩(wěn)定的低速運行特性，被廣泛應用于機床、冶金、軌道交通、船舶等領域。然而，直流電機在運行過程中，常因過載、堵轉、電源電壓異常等問題導致繞組過熱，若未能及時采取保護措施，輕則損壞電機絕緣層，重則引發(fā)電機燒毀甚至安全事故。熱繼電器作為一種基于電流熱效應原理的保護器件，能夠有效監(jiān)測電機工作電流，在電流異常時及時切斷電路，為直流電機的安全穩(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中的應用場景、選型方法、安裝要點及注意事項，為工業(yè)現場的電氣設計與維護提供參考。

一、熱繼電器的工作原理與結構特性

熱繼電器的核心工作原理是電流的熱效應，即當電流通過導體時，導體會因電阻損耗而產生熱量，熱量的積累會導致導體溫度升高。其結構主要由發(fā)熱元件、雙金屬片、動作機構、觸點系統和復位機構五部分組成。發(fā)熱元件通常由電阻值穩(wěn)定的合金材料制成，串聯在直流電機的主電路中，電機工作電流通過發(fā)熱元件時產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，由兩種熱膨脹系數不同的金屬片碾壓而成，當溫度升高時，熱膨脹系數大的金屬片會向熱膨脹系數小的一側彎曲，推動動作機構;動作機構在雙金屬片的驅動下實現機械聯動，當雙金屬片彎曲到一定程度時，觸發(fā)觸點系統動作，將控制電路斷開，進而切斷電機的主電源;復位機構則用于在故障排除后，使熱繼電器的觸點恢復到初始狀態(tài)，分為手動復位和自動復位兩種形式，可根據實際應用場景選擇。

與過電流繼電器、熔斷器等保護器件相比，熱繼電器具有反時限保護特性，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的過載特性相契合 —— 電機在短時間內承受較小過載時仍可正常工作，無需立即切斷電源;而當過載電流較大時，必須迅速切斷電路以避免電機損壞。此外，熱繼電器還具有結構簡單、成本低廉、維護方便等優(yōu)點，因此在直流電機的過載保護中得到廣泛應用。

二、直流電機的運行特性與保護需求

直流電機的運行特性與其結構密切相關，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生電磁轉矩，驅動電機旋轉。在實際運行中，直流電機面臨的主要風險包括過載、堵轉、勵磁回路故障等，這些故障都會導致繞組電流異常升高，引發(fā)過熱問題。

從運行特性來看，直流電機的電樞電流與負載轉矩成正比，當負載轉矩超過額定值時，電樞電流會隨之增大，即出現過載現象。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，導致絕緣層老化、損壞，甚至造成繞組短路。更嚴重的是，當電機發(fā)生堵轉時(如負載卡死、機械故障等)，電樞轉速迅速降至零，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，繞組會在幾秒內燒毀。此外，他勵直流電機的勵磁回路若出現斷路，會導致勵磁電流消失，電機轉速急劇升高(即 “飛車”)，同時電樞電流也會異常增大，同樣需要可靠的保護措施。

基于上述運行特性，直流電機對保護器件的核心需求包括：一是能夠準確監(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，因此成為直流電機過載保護的重要選擇。

三、熱繼電器在直流電機中的應用場景與實現方式

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

在他勵直流電機的控制電路中，熱繼電器通常串聯在電樞回路中，用于監(jiān)測電樞電流。由于他勵電機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置過載保護即可。具體接線時，熱繼電器的發(fā)熱元件串聯在電樞電源與電樞繞組之間，其常閉觸點串聯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，電機正常運轉;當電樞電流因過載或堵轉而增大時，發(fā)熱元件產生的熱量增加，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，電機停止運行，從而實現過載保護。

在串勵直流電機中，由于電樞繞組與勵磁繞組串聯，電流同時通過兩者，因此熱繼電器同樣串聯在主回路中，可同時對電樞繞組和勵磁繞組進行保護。但需注意的是，串勵直流電機的空載轉速極高，存在 “飛車” 風險，因此不能僅依賴熱繼電器進行保護，還需配合過流繼電器或超速保護裝置，而熱繼電器主要負責應對負載過載導致的電流升高問題。

此外，在直流電機的正反轉控制電路中，為避免正反轉切換時的電流沖擊導致熱繼電器誤動作，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，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，實現間接保護。

四、熱繼電器的選型要點與安裝維護

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

一是額定電流。熱繼電器的額定電流應與直流電機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額定電樞電流的熱繼電器型號。例如，若電機額定電樞電流為 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整范圍，整定電流應根據電機的額定電樞電流進行調整，通常將整定電流設置為電機額定電樞電流的 1.05-1.2 倍。對于啟動電流較大的直流電機(如串勵電機)，為避免啟動過程中熱繼電器誤動作，可將整定電流適當提高至額定電流的 1.2-1.5 倍，但需確保在電機堵轉時仍能迅速動作。

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，選型時需根據電機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，應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，則需選擇動作時間較短的型號。

在安裝與維護方面，需注意以下幾點：一是熱繼電器應安裝在通風良好、無振動、無腐蝕性氣體的環(huán)境中，避免陽光直射和高溫熱源，以確保其溫度監(jiān)測的準確性;二是發(fā)熱元件應與電樞回路緊密串聯，接線端子需牢固連接，避免因接觸不良導致發(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)現問題應及時清理或更換;四是在故障排除后，需根據復位方式(手動或自動)進行復位，確保熱繼電器恢復正常工作狀態(tài)。

五、應用中的注意事項與發(fā)展趨勢

盡管熱繼電器在直流電機保護中具有顯著優(yōu)勢，但在實際應用中仍需注意其局限性：一是熱繼電器無法對直流電機的勵磁回路故障(如勵磁斷路)進行保護，因此需配合勵磁回路保護器件(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，可能導致其在正常電流下誤動作，此時需選擇具有溫度補償功能的熱繼電器;三是對于頻繁啟動、正反轉的直流電機，熱繼電器的使用壽命可能會縮短，需加強維護檢查。

隨著工業(yè)自動化技術的發(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用于直流電機保護中，這類熱繼電器可通過內置傳感器實時監(jiān)測電機的電流、溫度等參數，并將數據上傳至控制系統，實現遠程監(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)的結合越來越緊密，通過 PLC 編程可實現更靈活的保護邏輯，如根據電機的運行狀態(tài)動態(tài)調整整定電流和動作時間，進一步提高保護的可靠性和適應性。

結語

熱繼電器作為一種成熟可靠的過載保護器件，在直流電機的安全運行中發(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、直流電機的運行特性，合理選擇、安裝和維護熱繼電器，能夠有效避免電機因過載、堵轉等故障導致的損壞，降低工業(yè)生產中的設備故障率和維護成本。隨著智能電氣技術的發(fā)展，熱繼電器將朝著更智能、更高效、更集成的方向發(fā)展，為直流電機的保護提供更全面的解決方案，助力工業(yè)電氣系統的安全穩(wěn)定運行。