JRS4-d系列热继电器工作原理解析

■ 天水二一三电器有限公司 张晓玲

引言： JRS4-d系列热继电器是天水二一三电器有限公司在上世纪九十年代跟踪国际知名电器制造企业——TE公司的LRD系列热继电器开发的产品。因为该产品性能优良，设计精巧，我国众多的低压电器企业都开发了相同的产品，现该产品占有我国热继电器绝大部分市场。然而该产品关键部位加工要求高，难度大，加之企业对关键点理论掌握不透彻，工艺掌握不全面，使制造成本上升很大。本文从设计角度出发，对其工作原理和关键点进行探讨。

产品简介：该产品主要适用于交流50Hz（60Hz），额定工作电压至690V、电流0.1A～500A的电路中，作三相交流电动机的过载和断相保护之用，也可以作为其他电气设备发热状态的控制之用。产品外观如下：

其中，JRS4-F系列是JRS4-d系列的派生大电流产品。

热继电器设计原理和优势。金属导电时就会产生热（现在虽然发现了超导体，没有电阻，不会发热，但还没有达到实用阶段），发热量随导电率的不同而不同，这一现象给人们用电带来了很大的烦恼，但人们也利用这一特性，把导电率大的金属作为导线、触头等，把导电率小的金属作为熔断器、热元件、电热丝、灯丝等。热继电器也是利用这一现象设计的，热继电器主要作为三相交流电动机的保护，是以热元件为信号元件，模拟电动机发热进行间接保护的。这种热继电器使用方便、功能多、成本低，虽然属于间接保护，但在精心设计、制造和正确选用下能对电动机进行良好的保护，虽然电子产品、可通讯产品发展迅速，但由于价格高，以热元件为核心器件的双金属片式热继电器，目前仍然是国内外主要使用的电动机保护器。

三相交流电动机在工作过程中绕组会发热，当发热达到一定温度后，绕组间的绝缘性能降低，发生匝间短路，局部功耗升高，发热更加严重，直至绕组烧毁。因此电动机是按确定的功率、允许过载电流、允许工作温度设计制造的，超过了其中的参数电动机就可能烧毁。电动机损坏的绝大多数原因就是绕组电流发热引起的绕组烧毁。为了保护电动机，人们采用了通过探测绕组温度取温度信号直接保护和取电流信号模拟电动机发热进行两种方式。由于各有优缺点，取温度信号的直接保护方式主要用在大型发电机和电动机中，绝大多数中小型电动机均采用间接保护。对电动机起间接保护作用的电器有电动机保护型断路器和热继电器。热继电器是专门为保护电动机设计的装置，具有保护功能精细、使用方便、成本低廉的特点。JRS4-d系列热继电器的电气工作原理如图1。

如图1，按下SB2起动按钮时KM接触器线圈得电，接触器吸合，主触头闭合，电动机起动运转，同时辅助触头闭合，线圈控制电路电气自锁，松开按钮后，接触器仍处于闭合状态，完成电动机起动操作。按下停止按钮SB1时接触器线圈断电，主触头、辅助触头断开，电动机停止。热继电器95、96常闭触头在电路中断开时，所起作用和按钮SB1相同，但95、96常闭触头是保护停止，按钮SB1是主令停止。那么热继电器是如何进行保护的？电气原理是，如图将热继电器接入主电路中，当电动机运转时，电动机三相绕组电流也通过热继电器，通过取电流信号模拟电动机发热，使热元件发生弯曲，热元件的弯曲超过临界值时进一步使机械反转机构动作，从而使95、96常闭触头和97、98常开触头动作，切断电路，输出保护信号，达到保护。典型的电动机电路还有很多种，但具体到热继电器保护，万变不离其踪，都是热元件按设计功率取电流信号发生热弯曲，达到设定值时，动作机构发生翻转，切断电路并发出电动机故障保护信号，从而达到保护电动机的目的。各种热继电器虽然动作机构变化很大，但原理相同，JRS4-d系列热继电器也是按这样的原理设计和工作的，那么作为具体的电器元件，其内部的工作原理又如何？

JRS4-d产品的工作原理：双金属片式热继电器是将热元件接入主电路内，热元件流过电动机的电流。当电动机过载时，主片被加热到动作温度，使热继电器动作。热继电器动作时间与过载电流的大小，按反时限关系变化。作为电动机过载保护的热继电器，必须保证电动机的正常起动和运行，并能最大限度的发挥电动机的承载能力。故热继电器的动作特性曲线与电动机的允许发热特性曲线，应满足图2的配合要求。即热继电器的动作特性曲线，应位于电动机允许发热曲线的下方，而又应接近于它。

电动机发热和电流大小密切相关，热继电器和电动机的热保护都可转化为成了电流时间特性的相配，发热和电流转化的核心元件就是热元件，热元件具有模拟电动机发热和散热的功能，信号的转化精度和准确动作特性都靠热元件发出。JRS4-d动作示意图如图3~5，首先热元件1接入主电路，在电流作用下发生热弯曲（产生挠度），带动差动板2、3和杠杆4移动，杠杆4使杠杆5发生偏转，杠杆5再使图5的翻转跳跃机构发生动作。杠杆5推动拉杆9、弹簧10、偏心件11组成的翻转跳跃机构运动到超过图中虚线所示的临界平衡点2时，弹簧10伸长到最大，力的作用方向也由向左转换为向右，在反力很小的情况下向右迅速动作，偏心件11的偏转使推杆14运动，带动拍合式触头17、18动作，完成电气图中触头95、96和97、98的转换。当负载电流正常时发生的热弯曲不足以使翻转跳跃机构运动到临界点，只有过载时（主电路电流超过正常值）才发生保护性动作。此外JRS4-d还设计了调整机构、差动机构、检测钮、急停钮（常闭触头断开钮）、手动/自动复位转换钮等外围机构，这些机构要求也很高。现对调整机构、差动机构、手动/自动复位转换钮做进一步分析，其余从略。

调整机构，补偿片7、小螺钉、调解旋钮的作用都是调整杠杆6的摆动，控制杠杆5转轴的位置，进一步达到控制杠杆4和杠杆5力点间隙，从而调整热元件动作挠度，也就调整了机构达到动作的电流值。不过这三个零件调整的出发点是不相同的，补偿片也是双金属片，受温度影响U形张开角度和偏转角度都会发生变化，作用是保证在不同环境温度下，消除热元件因环境温度影响产生的变化和发挥电动机过载能力，可以说是自然调整；小螺钉的作用是消除零件和装配的不一致性，协调同一机型不同规格的差异，这种调解是轻微和细致的，所以采用细牙小螺钉，可以说是机构调整；旋钮的作用则是调整整定电流，通过螺旋线凸轮的转动，对应不同的整定电流值，调整范围受热元件工作挠度/温度范围的限制，最大值和最小值之比和热元件工作挠度/温度的最大值、最小值比值一致，为1/0.6左右。当超过这个限度时用调整热元件的方式来实现，这也是热继电器规格如此之多的原因。

差动机构，为了克服双金属材料的局限性，尽量缩小产品的体积，保证在1.05倍额定电流情况下不动作，电动机在三角形连接，缺相时在1.15倍情况下动作，JRS4-d系列热继电器又设计了2、3、4组成的差动机构。差动机构的工作原理如图6所示：三相负载平衡时，三个主双金属片受热弯曲，推动上顶板，并通过杠杆带动下顶板向左移动距离a2，此时a1=a2;三相不平衡时，通电的两相双金属片受热弯曲，推动上顶板向左移动，此时下顶板由于一相断电，该相双金属片未产生弯曲，阻止了它跟随上顶板运动杠杆在上，下顶板的作用下产生偏转，使a3>a4，达到断相保护的目的。

手动/自动复位转换，为了热继电器完成故障保护，并在故障排除后继续使用，热继电器都有复位装置，JRS4-d系列热继电器具有手动和自动两种方式。 如图5，按钮15斜面正对推杆14时，推杆14运动受限制，使偏心件在杠杆5压力作用下，只能运动到临界平衡点1和2之间，这时若杠杆5压力减小，弹簧和拉杆挂接点又会左移，超过平衡点2后，对偏心件的力方向变化，自动翻转，回复到于骨架16的限位点，触头17、18也发生相应转换，这个动作过程为自动复位。如图7，按钮15平面正对推杆14时，偏心件在杠杆5压力作用下运动，并能超过临界平衡点1，这时拉杆和弹簧的挂接点在临界平衡点1右侧，若杠杆5压力减小，弹簧作用力仍然向右，不会自动复位，当按下按钮15时强制回到自动复位状态，其后动作情况和自动复位相同。推杆14移动的距离，和各限位点的尺寸对复位性能可靠和触头开距影响很大。

JRS4-d系列热继电器具有双金属片式类产品的所有功能，零部件和要点相应也比较多，这给制造带来了很多困难。由于采用翻转跳跃机构，因此对运动限位尺寸、弹簧力的要求都比较高。达到各功能都能实现，机构动作翻转干脆利落，转换灵敏，既要零部件满足严格的要求，又要装配调整细致入微。

关键点说明：JRS4-d系列热继电器本身具有许多矛盾对立的要求，其性能指标及相应设计参数往往相互制约。例如断相过载应及时动作与三相正常不均衡应稳定的矛盾，动作机构既要灵敏又要在震动情况下不误动作等。要解决这些矛盾，就要抓住最合适的点，这些点就是要点。掌握不好度，就会出现解决了此问题，又出现了彼问题。以下就热元件、差动板、拉杆、推杆、偏心件、旋钮、弹簧、辅助触头触板、骨架几个零部件分别说明，其余从略。

热元件作为热继电器的核心元件，表面上看配合留有较大间隙，承受的力也不大，其实要求很高，主要表现在三个方面。首先装配留有较大间隙是为产生挠度动作而预留的功能空间，对这个空间尺寸有很高的要求；其次热元件在热作用下产生挠度，内部承受的力很大，材料的均匀性和不同材料之间的碾合牢固要求也很高，决不允许有开裂和分层现象，当热动作时，一方面要承受杠杆的反力，另一方面也要克服加热丝/片的束缚力；再次作为受热后在内应力作用下弯曲的零件，要求重复动作的稳定性要求很高，在低温-20℃到工作发热200℃范围内，温度不断变化的情况下十年内要保持稳定，材料反复热动作性能不变化，电阻率不变化，这与热元件加工产生的应力不稳定形成矛盾。热元件焊接、机械加工时产生的材料组织变化要尽量消除，我们靠通过低温老化和时效处理减小，电阻率是通过选用和温度系数呈线性的材料，比较稳定的材料保证的，另外也对可测电阻的热元件进行了分档。通过这些措施使加工后形成的元件受热变化一致性提高。元件加工一致性要高，这种一致性包括，焊点大小、电阻、外形尺寸，稳定处理工艺到位等。这里只重点分析一下三相热平衡调整的重要性，元件一致性效果最终都要在三相平衡的前提下发挥作用，如图3、4，只有三相平衡了才能首先保证相应电流下三相平衡不动作，三相不平衡动作性能，也才能保证相应得时间电流特性，所以材料的稳定一致性，加工的一致性都是保证性能的基础，而三相平衡调整工艺才是最终的体现。三相平衡是差动板和热元件之间的三相平衡，即热元件在热动作状态时对差动板的三相用力是一致的，并不是冷调试时的尺寸一致，这主要靠三相冷调试平衡和差动板尺寸间接控制。对热元件来说零部件质量和工艺都是极为重要的，它也是整台产品电流时间特性的核心。该产品热元件为复式加热的单臂悬梁式，如图8所示：

y1是热弯曲挠度，y2是有效挠度，a是力耗挠度，F是弯曲力，从图中可以看出我们主要是为了保证y1和F的一致性，我们的产品y2为2.5左右，要保证1.05不动作，1.2动作，三相的误差超过0.3，则必然有一相没有发挥作用。因此需要编制详细的各规格三相平衡调试尺寸表，制造专用三相调试台和标准块，规定严格的调试公差，规定质量控制关键点和抽检和记录。热继电器性能的保证就是热元件，包括材料、加工工艺、装配调试工艺三个重要环节，是需要严格控制的重点。

差动板的作用就是保证三相平衡情况和不平衡情况下的电流时间特性，这一性能主要靠和热元件三相接触点的尺寸来控制，在模具难于保证的情况下，需要高精度的专用磨削台或激光切割机来控制。另外为保证差动板的灵活性，差动板表面要光滑无毛刺。拉杆、偏心件和主拉簧构成了翻转跳跃机构的主要部分，因此拉杆和偏心件的要求相同点比较多，关键点都主要是活动的V形刃口和槽，这些刃口和槽是动作灵敏性的保证，这就要求同一零件的刃口和槽要形正，在同一平面内，上下刃口或槽顶点要成一条线，刃口要锐利。推杆是自动和手动复位的关键件，也是触头转换的关键件，这里对关键尺寸磨削和原理不再重复讨论，着重说明一下该零件的严格要求。如图7，推杆的U形槽对临界位置和偏转角度有很大影响，所以U形槽在推杆中的位置尺寸很重要，同样U形槽的形状尺寸也很重要，比如它和偏心件的配合缝隙尺寸，这个尺寸大了，影响复位性能和触头开距，太小又不灵活，如图9：

若偏心件板厚为0.8，b尺寸最大尺寸应为摆动最大角度时所需要的尺寸，即为0.8÷cas23.4°＝0.87，为了保证动作翻转，必须大于0.8÷cas5°＝0.80

再加上板厚的公差，偏心件最大尺寸也要小于0.87，但国标规定的0.8钢板公差为±0.07，再加上6μm的镀层，就已经达到了0.88，超差形成动作不灵活。因此普通严格的尺寸对热继电器来说还不能完全满足要求，这也是零部件加工单位难于理解的地方，对这样严格要求的必要性存在怀疑，实际上所有磨削的尺寸都是注射模具无法达到公差范围内的，而许多无法磨削的尺寸要求也是相当严格的，这些尺寸只有达到理论范围，并严格控制不同型腔零件的一致性，才能保证批量生产的需要。

JRS4-d热继电器整定电流调节机构为凸轮式，这种调节机构特点就是零件少，装配简单；但调节曲线面加工精度要求高。首先为了保证整定电流的无级和刻度均匀，曲线面就要平滑并符合螺旋线的要求，其次旋转轴和螺旋线同心，并且多腔零件差距小，由于是曲线加工难度较大。试说明一下精度要求的程度，我们的螺旋线面最低点和最高点角度相差285°，高度相差1.97，整定电流小值和大值角度一般相差180°，整定电流大小由螺旋线高度决定，因此每0.01的高度影响大值角度超过1.4°，当旋钮定位、同心度和螺旋线综合因素超过0.05时，批量生产的印字角度就无法保持一致。可见形状并不复杂的小旋钮要做好，难度也是相当高的。

弹簧在电器中广泛使用，是比较重要的一类电器零件。我公司的JRS4-d热继电器动作机构为翻转式，弹簧力的特性决定了动作机构的灵敏度，动作力等，因此对起翻转作用的拉簧要求比较高。这些弹簧力是双金属片弯曲产生主动力的反力，也是动作机构复位时的主作用力，所以这些力既要和双金属片弯曲力匹配，也要满足动作要求，由于也对零件起一定的定位作用，所以还要满足机构抗震动性能的要求。这些综合因素决定了弹簧力产生的力矩应在小于双金属片弯曲力力矩的情况下尽量大。因此这些弹簧的力，长度，挂钩形状要求都比较高，另外动作特性的稳定性和弹簧力的稳定性相关，所以这些弹簧一定要经过严格的盐炉低温回火稳定处理。至于其他几个压簧要求相对低些，但也要弹性好不生锈。

辅助触头静触板和触条如图10所示，触条是拨动式活动的，对静触板V形槽和触条尖角的尺寸形状都有很高的要求，接触点既是活动部位也是导电部位。弹簧拉力点和V形槽之间的距离，既决定触头闭合后的触头压力，也决定V形槽点电接触的可靠，因此该距离也是关键的尺寸。

结束语：JRS4-d系列热继电器零件精度要求高，装配容易，调整难；单件过关易，大批生产稳定难。因此在产品设计、批量零件检查、新模具的加工认可方面，只有从理论出发，抓住关键点，才能有效的降低高精度带来的成本提高。希望该文能够对热继电器技术人员有所启发，达到抛砖引玉的作用，把自己的经验观点拿出来，大家一起分享。