在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中，當(dāng)三相交流電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)長(zhǎng)期帶負(fù)荷欠電壓下運(yùn)行、長(zhǎng)期過載運(yùn)行以及長(zhǎng)期單相運(yùn)行等不正常情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組嚴(yán)重過熱乃至燒壞。為了充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，保證電動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)一旦出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間過載時(shí)又能自動(dòng)切斷電路，從而出現(xiàn)了能隨過載程度而改變動(dòng)作時(shí)間的電器，這就是熱繼電器。顯然，熱繼電器在電路中是做三相交流電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)用。但須指出的是，由于熱繼電器中發(fā)熱元件有熱慣性，在電路中不能做瞬時(shí)過載保護(hù)，更不能做短路保護(hù)。因此，它不同于過電流繼電器和熔斷器。
按相數(shù)來分，熱繼電器有單相、兩相和三相式共三種類型，每種類型按發(fā)熱元件的額定電流又有不同的規(guī)格和型號(hào)。三相式熱繼電器常用于三相交流電動(dòng)機(jī)，做過載保護(hù)。
按職能來分，三相式熱繼電器又有不帶斷相保護(hù)和帶斷相保護(hù)兩種類型。
1、熱繼電器的保護(hù)特性
因?yàn)闊崂^電器的觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間與被保護(hù)的電動(dòng)機(jī)過載程度有關(guān)，所以在分析熱繼電器工作原理之前，首先要明確電動(dòng)機(jī)在不超過允許溫升的條件下，電動(dòng)機(jī)的過載電流與電動(dòng)機(jī)通電時(shí)間的關(guān)系。這種關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的過載特性。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)過載電流時(shí)，必將引起繞組發(fā)熱。根據(jù)熱平衡關(guān)系，不難得出在允許溫升條件下，電動(dòng)機(jī)通電時(shí)間與其過載電流的平方成反比的結(jié)論；
為了適應(yīng)電動(dòng)機(jī)的過載特性而又起到過載保護(hù)作用，要求熱繼電器也應(yīng)具有如同電動(dòng)機(jī)過載特性那樣的反時(shí)限特性。為此，在熱繼電器中必須具有電阻發(fā)熱元件，利用過載電流通過電阻發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱效應(yīng)使感測(cè)元件動(dòng)作，從而帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作來完成保護(hù)作用。熱繼電器中通過的過載電流與熱繼電器觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間關(guān)系，稱為熱繼電器的保護(hù)特性，如圖1中曲線2所示?？紤]各種誤差的影響，電動(dòng)機(jī)的過載特性和繼電器的保護(hù)特性都不是一條曲線，而是一條帶子。顯而易見，誤差越大，帶子越寬；誤差越少，帶子越窄。
由圖中曲線l可知，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載時(shí)，工作在曲線1的下方是安全的。因此，熱繼電器的保護(hù)特性應(yīng)在電動(dòng)機(jī)過載特性的鄰近下方。這樣，如果發(fā)生過載，熱繼電器就會(huì)在電動(dòng)機(jī)末達(dá)到其允許過載極限之前動(dòng)作，切斷電動(dòng)機(jī)電源，使之免遭損壞。
2、熱繼電器的工作原理
熱繼電器中產(chǎn)生熱效應(yīng)的發(fā)熱元件，應(yīng)串接于電動(dòng)機(jī)電路中，這樣，熱繼電器便能直接反映電動(dòng)機(jī)的過載電流。熱繼電器的感測(cè)元件，一般采用雙金屬片。所謂雙金屬片，就是將兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬片以機(jī)械輾壓方式使之形成一體。膨脹系數(shù)大的稱為主動(dòng)層，膨脹系數(shù)小的稱為被動(dòng)層。雙金屬片受熱后產(chǎn)生線膨脹，由于兩層金屬的線膨脹系數(shù)不同，且兩層金屬又緊密地貼合在一起，因此，使得雙金屬片向被動(dòng)層一側(cè)彎曲，由雙金屬片彎曲產(chǎn)生的機(jī)械力便帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作。
雙金屬片的受熱方式有4種，即直接受熱式、間接受熱式、復(fù)合受熱式和電流互感器受熱式。直接受熱式是將雙金屬片當(dāng)做發(fā)熱元件，讓電流直接通過它；間接受熱式的發(fā)熱元件由電阻絲或帶制成，繞在雙金屬片上且與雙金屬片絕緣；復(fù)合受熱式介于上述兩種方式之間；電流互感器受熱式的發(fā)熱元件不直接串接于電動(dòng)機(jī)電路，而是接于電流互感器的二次側(cè)，這種方式多用于電動(dòng)機(jī)電流比較大的場(chǎng)合，以減少通過發(fā)熱元件的電流。
圖2：熱繼電器的結(jié)構(gòu)原理圖
熱元件3串接在電動(dòng)機(jī)定子繞組中，電動(dòng)機(jī)繞組電流即為流過熱元件的電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，熱元件產(chǎn)生的熱量雖能使雙金屬片2彎曲，但還不足以使繼電器動(dòng)作；當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，熱元件產(chǎn)生的熱量增大，使雙金屬片彎曲位移增大，經(jīng)過一定時(shí)間后，雙金屬片彎曲到推動(dòng)導(dǎo)板4，并通過補(bǔ)償雙金屬片5與推桿14將觸點(diǎn)9和6
分開，觸點(diǎn)9和6為熱繼電器串于接觸器線圈回路的常閉觸點(diǎn)，斷開后使接觸器失電，接觸器的常開觸點(diǎn)斷開電動(dòng)機(jī)的電源以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。
調(diào)節(jié)旋鈕11是一個(gè)偏心輪，它與支撐件12構(gòu)成一個(gè)杠桿，13是一壓簧，轉(zhuǎn)動(dòng)偏心輪，改變它的半徑即可改變補(bǔ)償雙金屬片5與導(dǎo)板4的接觸距離，因而達(dá)到調(diào)節(jié)整定動(dòng)作電流的目的。此外，靠調(diào)節(jié)復(fù)位螺釘8來改變常開觸點(diǎn)7的位置使熱繼電器能工作在手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位兩種工作狀態(tài)。調(diào)試手動(dòng)復(fù)位時(shí)，在故障排除后要按下按鈕10才能使動(dòng)觸點(diǎn)恢復(fù)與靜觸點(diǎn)6相接觸的位置。
3、帶斷相保護(hù)的熱繼電器
三相電動(dòng)機(jī)的一根接線松開或一相熔絲熔斷，是造成三相異步電動(dòng)機(jī)燒壞的主要原因之一。如果熱繼電器所保護(hù)的電動(dòng)機(jī)是y接法，當(dāng)線路發(fā)生一相斷電時(shí)，另外兩相電流便增大很多，由于線電流等于相電流，流過電動(dòng)機(jī)繞組的電流和流過熱繼電器的電流增加比例相同，因此普通的兩相或三相熱繼電器可以對(duì)此作出保護(hù)。如果電動(dòng)機(jī)是△形接法，發(fā)生斷相時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的相電流與線電流不等，流過電動(dòng)機(jī)繞組的電流和流過熱繼電器的電流增加比例不相同，而熱元件又串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)的電源進(jìn)線中，按電動(dòng)機(jī)的額定電流即線電流來整定，整定值較大。當(dāng)故障線電流達(dá)到額定電流時(shí)，在電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)部，電流較大的那一相繞組的故障電流將超過額定相電流，便有過熱燒毀的危險(xiǎn)。所以△接法必須采用帶斷相保護(hù)的熱繼電器。
帶有斷相保護(hù)的熱繼電器是在普通熱繼電器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)差動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)三個(gè)電流進(jìn)行比較。差動(dòng)式斷相保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。熱繼電器的導(dǎo)板改為差動(dòng)機(jī)構(gòu)，由上導(dǎo)板1、下導(dǎo)板2及杠桿5組成，它們之間都用轉(zhuǎn)軸連接。
圖3 a為通電前機(jī)構(gòu)各部件的位置。圖3 b為正常通電時(shí)的位置，此時(shí)三相雙金屬片都受熱向左彎曲，但彎曲的撓度不夠，所以下導(dǎo)板向左移動(dòng)一小段距離，繼電器不動(dòng)作。圖3 c是三相同時(shí)過載時(shí)的情況，三相雙金屬片同時(shí)向左彎曲，推動(dòng)下導(dǎo)板2向左移動(dòng)，通過杠桿5使常閉觸點(diǎn)立即引計(jì)。圖3d是c相斷線的情況，這時(shí)c相雙金屬片逐漸冷卻降溫，端部向右移動(dòng)，推動(dòng)上導(dǎo)板1向右移。而另外兩相雙金屬片溫度上升，端部向左彎曲，推動(dòng)下導(dǎo)板2繼續(xù)向左移動(dòng)。由于上、下導(dǎo)板一左一右移動(dòng)，產(chǎn)生了差動(dòng)作用，通過杠桿的放大作用，使常閉觸點(diǎn)打開。由于差動(dòng)作用，使熱繼電器在斷相故障時(shí)加速動(dòng)作，保護(hù)電動(dòng)機(jī)。
1上導(dǎo)板；2下導(dǎo)板；3雙金屬片；4常閉接點(diǎn)；5杠桿