1  引言
    通風、排水、壓氣、提升是地下礦山著名的4大件，也是礦山設備中的耗能大戶。目前，礦山企業所使用的水泵及風機均為交流拖動，且大多都采用通過改變出口閥門的開啟度來調節流量和風量，能量損失很大。為了節約電能，可采用變頻調速裝置，通過調節電動機轉速來控制流量和風量。

2  水泵、風機變速運行與節能的關系
    現以離心水泵為例，說明變速運行與節能的關系。
    離心水泵在礦山應用較為廣泛，其輸出特性既決定于水泵的種類，也隨供水管網的阻力特性曲線不同而異。一般說來，當一臺水泵在一定轉速下輸送一定流量時，必然會有同此流量相對應的揚程、功率和效率。當調節水泵出口處調節閥的開啟度時，這些數值亦相應地改變，離心水泵的性能曲線就是表示在一定的轉速下，不同的流量與其相對應的揚程、功率、效率之間的相互關系，如圖 1所示。圖1中，曲線①為流量-揚程曲線;曲線②為流量-功率曲線;曲線③為流量效率曲線。
離心泵的特性曲線公式如下:

     (1)
式中: P—泵的軸功率(kw)     
     H—揚程高度(m) 
     Q—泵的流量(m3)
     γ—液體的比重(kg/m3)
     η—泵的效率     

圖1 離心泵的特性曲線

    由圖1可見，對水泵而言，只有在原設計的工況點A處工作時，效率才為最高點。偏離這個工況點，效率有所下降。因此，水泵只有在高效區域(B-C之間)運行時，耗能才會降低。
    根據以上分析，按照排水系統的實際流量Q2和揚程H2及與之相適應的使用效率η0，可計算出泵所需要的比較合理的軸功率P0:
    
      (2)
這樣，整個排水系統節能潛力為:
W=(P-P0)t  (3)
式中: P—整個系統泵消耗的總軸功率(kw)
     t—水泵年運行時間(小時/年)
由流體力學及閘閥不同開啟度所測得的數據，可求得管網裝置特性為:
H2=KQ+Hj  (4)
式中: Hj—水泵進、出口水位的高差(m)
     H2—水泵揚程高度(m)
     Q—流過管網的流量(m3/s)
     K—管路阻力系數
管網的特性曲線如圖2所示。其中曲線①為泵在全速(100%ηe)運行時的Q-H曲線;曲線②為管網系統閥門全開啟時的阻力特性曲線;曲線③為靜壓高度;曲線④為關小閥門后的阻力特性曲線;曲線⑤為降低速度后(80%ηe)泵的Q-H曲線。 

圖2 管網性曲線

    由圖2可見，觀望特性曲線與泵的特性曲線的交點即為泵的正常使用工況點。二者怎樣匹配才能有效地節約電能呢？下面以圖3為例說明這個問題。
    圖3中，水泵運行工況點D是泵的特性曲線ηe與管路阻力曲線R1的焦點。用閥門控制時，減少流量需要關小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R1'，揚程則從H0升到H1，流量從QN減少到Q1，運行工況點從D點移到A點。

圖3 水泵調速時的特性

用調速控制時，阻力曲線R1不變，泵的特性取決于轉速。如果把轉速從ne降到n1，特性曲線也從ne移至n1，這時，運行工況點從D點移到C點，揚程從H0下降到 H3，流量從QN減少到Q1。
根據公式(1)以求得:  
A點泵的軸功率   
C點泵的軸功率    
兩者之差為:
    (5)
    由此可見，用閥門控制流量時，比用速度控制多浪費的功率為ΔP，并且隨著閥門不斷地關小，ΔP也不斷地增加。
    用轉速控制時，由流體力學原理知道，流量Q同轉速的一次方成正比，而軸功率P同轉速的三次方成正比。因此，采用調速控制方式控制流量，在節能方面的效果是十分明顯的。
以上的分析過程和結論，對風機也是適用的。

3  風機、水泵變頻調速系統
    對風機進行技術改造時，為避免工程質量和一次性投資過大，可采用如圖4所示的方案。
其特點如下:
(1) 采用速度開關控制方式，能夠滿足礦山對風機、水泵轉速精度的要求。
(2)保留原供電線路，旁路并入變頻器。正常情況下投入變頻器運行，人工控制其輸出頻率，達到變頻調速的目的。若變頻器發生故障，可通過原供電線路(ZK3、C2、ZK4)繼續給設備供電，使設備不間斷運行。
    由于變頻器的工作原理已被大家熟悉，在此不在獒述。實際應用中，可選用日本SANKEN公司生產的MF系列變頻裝置，該產品為16位微機控制的SPWM調制型GTR變頻調速系統，采用先進的電壓矢量控制方式，可實現超精細、高精度的全數字式變頻控制。同時，由于該裝置保護功能齊全，保證了系統可靠運行。

圖４　系統主電路圖

4  結束語
    變頻調速系統在礦山節能中具有廣闊的發展前景，盡管技術改造時一次性投資可能偏高，但從長遠觀點看，它所產生的效益和創造的價值是巨大的，值得大力推廣應用。