1 引言
通风、排水、压气、提升是地下矿山著名的4大件，也是矿山设备中的耗能大户。目前，矿山企业所使用的水泵及风机均为交流拖动，且大多都采用通过改变出口阀门的开启度来调节流量和风量，能量损失很大。为了节约电能，可采用变频调速装置，通过调节电动机转速来控制流量和风量。
2 水泵、风机变速运行与节能的关系
现以离心水泵为例，说明变速运行与节能的关系。
离心水泵在矿山应用较为广泛，其输出特性既决定于水泵的种类，也随供水管网的阻力特性曲线不同而异。一般说来，当一台水泵在一定转速下输送一定流量时，必然会有同此流量相对应的扬程、功率和效率。当调节水泵出口处调节阀的开启度时，这些数值亦相应地改变，离心水泵的性能曲线就是表示在一定的转速下，不同的流量与其相对应的扬程、功率、效率之间的相互关系，如图 1所示。图1中，曲线①为流量-扬程曲线;曲线②为流量-功率曲线;曲线③为流量效率曲线。
离心泵的特性曲线公式如下:
(1)
式中: P—泵的轴功率(kw)
H—扬程高度(m)
Q—泵的流量(m3)
γ—液体的比重(kg/m3)
η—泵的效率
图1 离心泵的特性曲线
由图1可见，对水泵而言，只有在原设计的工况点A处工作时，效率才为最高点。偏离这个工况点，效率有所下降。因此，水泵只有在高效区域(B-C之间)运行时，耗能才会降低。
根据以上分析，按照排水系统的实际流量Q2和扬程H2及与之相适应的使用效率η0，可计算出泵所需要的比较合理的轴功率P0:
(2)
这样，整个排水系统节能潜力为:
W=(P-P0)t (3)
式中: P—整个系统泵消耗的总轴功率(kw)
t—水泵年运行时间(小时/年)
由流体力学及闸阀不同开启度所测得的数据，可求得管网装置特性为:
H2=KQ+Hj (4)
式中: Hj—水泵进、出口水位的高差(m)
H2—水泵扬程高度(m)
Q—流过管网的流量(m3/s)
K—管路阻力系数
管网的特性曲线如图2所示。其中曲线①为泵在全速(100%ηe)运行时的Q-H曲线;曲线②为管网系统阀门全开启时的阻力特性曲线;曲线③为静压高度;曲线④为关小阀门后的阻力特性曲线;曲线⑤为降低速度后(80%ηe)泵的Q-H曲线。
图2 管网性曲线
由图2可见，观望特性曲线与泵的特性曲线的交点即为泵的正常使用工况点。二者怎样匹配才能有效地节约电能呢？下面以图3为例说明这个问题。
图3中，水泵运行工况点D是泵的特性曲线ηe与管路阻力曲线R1的焦点。用阀门控制时，减少流量需要关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从R1移到R1'，扬程则从H0升到H1，流量从QN减少到Q1，运行工况点从D点移到A点。
图3 水泵调速时的特性
用调速控制时，阻力曲线R1不变，泵的特性取决于转速。如果把转速从ne降到n1，特性曲线也从ne移至n1，这时，运行工况点从D点移到C点，扬程从H0下降到 H3，流量从QN减少到Q1。
根据公式(1)以求得:
A点泵的轴功率
C点泵的轴功率
两者之差为:
(5)
由此可见，用阀门控制流量时，比用速度控制多浪费的功率为ΔP，并且随着阀门不断地关小，ΔP也不断地增加。
用转速控制时，由流体力学原理知道，流量Q同转速的一次方成正比，而轴功率P同转速的三次方成正比。因此，采用调速控制方式控制流量，在节能方面的效果是十分明显的。
以上的分析过程和结论，对风机也是适用的。
3 风机、水泵变频调速系统
对风机进行技术改造时，为避免工程质量和一次性投资过大，可采用如图4所示的方案。
其特点如下:
(1) 采用速度开关控制方式，能够满足矿山对风机、水泵转速精度的要求。
(2)保留原供电线路，旁路并入变频器。正常情况下投入变频器运行，人工控制其输出频率，达到变频调速的目的。若变频器发生故障，可通过原供电线路(ZK3、C2、ZK4)继续给设备供电，使设备不间断运行。
由于变频器的工作原理已被大家熟悉，在此不在獒述。实际应用中，可选用日本SANKEN公司生产的MF系列变频装置，该产品为16位微机控制的SPWM调制型GTR变频调速系统，采用先进的电压矢量控制方式，可实现超精细、高精度的全数字式变频控制。同时，由于该装置保护功能齐全，保证了系统可靠运行。
图４ 系统主电路图
4 结束语
变频调速系统在矿山节能中具有广阔的发展前景，尽管技术改造时一次性投资可能偏高，但从长远观点看，它所产生的效益和创造的价值是巨大的，值得大力推广应用。