热继电器主要用于对异步电动机进行过载保护，而不是短路保护。其工作原理是当过载电流通过热继电器元件时，双金属片会因加热而弯曲，进而推动动作机构，使控制电路断开，从而切断电动机的电源，实现过载保护。由于双金属片的加热和弯曲过程需要一定时间，热继电器不适用于短路保护。
热继电器的过载保护作用是通过其热元件实现的。在电路中，热继电器通常用FR表示，其电路符号见下图。部分型号的热继电器还具备断相保护功能。
这种断相保护功能是由热继电器内部和外部推杆组成的差动放大机构提供的。在电动机正常运行时，流经热继电器热元件的电流是正常的，内部和外部推杆都会移至适当位置。然而，当电源的一相断线导致缺相时，该相的电流会消失，导致该相的双金属片冷却并复位，使内部推杆向右移动。与此同时，其他两相的双金属片因电流增大而弯曲程度加剧，使外部推杆向左移动。这种差动放大作用会在断相故障发生后很短的时间内推动常闭触点断开，使交流接触器释放，切断电动机的电源，从而保护电动机。
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