三相热继电器发热元件工作机理与过载跳闸原理

一、核心结构概览


三相热继电器主要由三部分组成：
┌─────────────────────────────────┐
│ 1. 发热元件（主双金属片） │
│ 2. 温度补偿双金属片（补偿用） │
│ 3. 动作机构（触点+复位机构） │
└─────────────────────────────────┘




二、发热元件的工作机理

1. 基本原理——焦耳热效应

发热元件本质上是具有一定电阻的电热丝（或电热片），与电动机主电路串联。

$$Q = I^2 \cdot R \cdot t$$

| 符号 | 含义 |
|||
| $Q$ | 产生的热量 |
| $I$ | 流过发热元件的电流（即电机相电流） |
| $R$ | 发热元件电阻 |
| $t$ | 通电时间 |

> 关键点：发热量与电流的平方成正比，与时间成正比。

2. 三相发热元件的布置


L1 ────[发热元件1]────┐
L2 ────[发热元件2]────┤── 驱动机构
L3 ────[发热元件3]────┘
(双金属片组)


- 三组发热元件分别串联在三相主回路中
- 每组发热元件下方（或紧贴）各有一片主双金属片
- 三组双金属片受热后共同推动/弯曲，驱动同一套动作机构

3. 双金属片的物理效应


低温状态 高温状态
┌──────────┐ ┌──────────┐
│ 金属片A │ │ ╱╱╱╱╱╱ │ ← 膨胀系数大
│ 金属片B │ │ ──────── │ ← 膨胀系数小
└──────────┘ └──────────┘
平直 向B侧弯曲 ↑


- 双金属片 = 两种不同热膨胀系数的金属（如铁镍合金+锰铜）铆合/焊接而成
- 温度升高 → 膨胀系数大的一侧伸长更多 → 整体向膨胀系数小的一侧弯曲
- 弯曲量与温度成正比（近似线性关系）

4. 温度补偿双金属片（为什么需要？）


环境温度升高 → 所有双金属片都会弯曲 → 产生误动作
↓
补偿双金属片与主双金属片反向安装
↓
环境温度变化对两者的影响相互抵消


> 补偿双金属片不经过电流，只感应环境温度，用于消除环境温度波动对保护精度的影响。



三、过载如何触发跳闸（完整动作链）

动作流程图


电机过载 (I > I_设定)
│
▼
电流增大 → I²R发热增加
│
▼
发热元件温度升高
│
▼
热量传导至主双金属片
│
▼
双金属片受热弯曲（弯曲量∝温度∝I²t）
│
▼
弯曲量达到临界值 → 推动导板/推杆
│
▼
触发动作机构（杠杆/弹簧系统）
│
▼
┌─────┴─────┐
│ │
▼ ▼
常闭触点断开 常开触点闭合
(切断控制回路) (接通报警回路)
│
▼
接触器线圈失电 → 主触点断开 → 电机停转


关键——反时限特性（I²t 特性）

| 过载程度 | 动作时间 | 说明 |
|-|-||
| 1.05~1.2倍额定电流 | 很长（>2h甚至不动作） | 允许短时过载 |
| 1.2~1.5倍额定电流 | 数分钟~数十分钟 | 典型过载保护范围 |
| 1.5~6倍额定电流 | 数秒~数十秒 | 快速保护 |
| >6倍额定电流 | 数秒内 | 接近短路，但热继不能替代短路保护 |


动作时间(s)
│
│╲
│ ╲
│ ╲
│ ╲
│ ╲___________
│─────────────────── 电流倍数
1.0 1.5 6 10

电流越大 → 发热越快 → 弯曲越快 → 跳闸越快
（反时限：过载越严重，动作越迅速）


为什么是 I²t 而不是纯 I？

$$I^2 \cdot t = \text{常数（动作阈值）}$$

- 小过载：电流略大，但需要较长时间积累热量才能使双金属片弯曲到动作值 → t 大
- 大过载：电流很大，热量迅速积累，短时间即触发 → t 小

这正好符合电动机的热承受特性：电机可以短时承受较大过载，但不允许长时间过载。



四、动作机构详解（机械触发部分）


双金属片弯曲
│
▼
┌───────────┐
│ 推杆/导板 │
└─────┬─────┘
│
▼
┌─────────────────┐
│ 差动杠杆机构 │ ← 利用弹簧+杠杆放大位移
└────────┬────────┘
│
┌─────┴─────┐
▼ ▼
常闭触点(NC) 常开触点(NO)
断开控制回路 接通信号/报警


触点的作用

| 触点类型 | 正常状态 | 过载动作后 | 连接位置 |
|-||--||
| 常闭触点 (NC) | 闭合 | 断开 | 串联在接触器线圈控制回路 |
| 常开触点 (NO) | 断开 | 闭合 | 接指示灯/报警器/PLC输入 |



五、整定电流调节


整定旋钮
│
▼
┌───────────┐
│ 调节凸轮/偏心轮 │
└─────┬─────┘
│
改变双金属片与发热元件的距离/预压力
│
▼
距离近 → 同样温度下弯曲更容易触发 → 整定值小
距离远 → 需要更大弯曲量才触发 → 整定值大


通常整定范围为电机额定电流的 60%~120%（或更宽）。



六、总结一句话

> 三相热继电器通过串联发热元件将过载电流转化为热量，热量使双金属片弯曲，弯曲达到临界位移后触发机械机构，断开控制回路使接触器释放，从而实现电动机过载保护——本质是一个 I²t 反时限热-机械转换过程。



补充注意事项

| 要点 | 说明 |
|||
| ⚠️ 不能保护短路 | 短路时电流太大、时间太短，双金属片来不及弯曲，需熔断器/断路器配合 |
| ⚠️ 断相保护 | 有专门的差动式断相保护型热继电器（带断相保护功能） |
| ⚠️ 复位方式 | 有手动复位和自动复位两种，手动复位更安全（防止故障未排除时自动重启） |
| ⚠️ 安装位置 | 应远离其他热源，避免环境温度影响精度 |