Технологии энергосбережения, о которых стали активно говорить пять лет назад, проникли даже в такую специфическую отрасль, как производство учебно-лабораторного оборудования. Раньше потребляемая мощность техники, размещённой в учебной лаборатории при кафедре электропривода и электрического транспорта, составляла около 60–70 кВт. Сейчас она сократилась до 5 кВт при том условии, если будут работать все имеющиеся стенды, хотя на практике этот показатель не превышает трёх-четырёх киловатт. Но нас интересует не энергосберегающий эффект, а то оборудование, которое здесь появилось после проведённой в прошлом году реконструкции. Мы пытаемся выяснить, что же скрывается за официальным названием учебно-исследовательской лаборатории «Исследования высокоэффективного энергетического оборудования и нетрадиционных возобновляемых источников энергии».

Три в одном

«Вы, конечно, не видели того, что было раньше, и не можете сравнить с тем, что стало сейчас, – замечает её научный руководитель, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета Геннадий Константинов. – Разница ра­зительная. Конечно, если есть желание, можете подняться на этаж выше и посмотреть лабораторию общей электротехники – это примерно то же самое, что было у нас». Глядя на просторное светлое помещение, вдоль стен которого расставлены стенды с многочисленными измерительными приборами и разъёмами для коммутации, не верится, что ещё не так давно здесь стояло старое оборудование, произведённое ещё в шестидесятые годы прошлого века и за пятьдесят лет успевшее устареть морально и физически. Тем не менее демонтировали его лишь к ­1 сентября 2014 года. Затем саму комнату, где находится лаборатория, капитально отремонтировали и в ноябре смонтировали новое оборудование. Официальное открытие состоялось 30 января 2015 года, а со 2 февраля занятия, проходящие здесь, включили в учебную программу. 

По факту в стенах одной лаборатории находятся сразу три. В одной ­изучают высокоэффективное оборудование, применяющееся на традиционных тепловых, гидравлических или атомных электростанциях, во второй – технику, работающую на возобновляемых источниках энергии, в третьей – микромашины, использующиеся, к примеру, в системах автоматики, следящем электроприводе или станках с числовым программным управлением. Оборудование для них поставил инженерно-производственный центр «Учебная техника», выросший из подразделения Челябинского государственного технического (ныне Южно-Уральского государственного) университета. В общей сложности оно обошлось в 3,3 млн рублей, ещё около 1,5 млн ушло на ремонт помещения. «Долго занимался поисками надёжного поставщика, – рассказывает Геннадий Григорьевич. – А тут поверил [генеральному директору «Учебной техники» Юрию Галишникову], потому что он тоже выпускник Томского политехнического института, мы в одно время учились в аспирантуре и писали кандидатские диссертации. К тому же (дружба дружбой, а служба службой) была возможность опробовать стенды в Томске, и я видел, что было сделано в Новосибирске». Так в стенах НИ ИрГТУ появилась богато оснащённая лаборатория, аналогов которой на востоке России нет – в других вузах от Урала до побережья Тихого океана обходятся несколькими учебными стендами.  

«Исчезает психологический барьер»

Оборудование по свойствам повторяет ту же технику, которая используется на больших электростанциях. Разве что размеры его не так велики, а мощность ниже. Например, пропускная способность компактного трёхфазного автотрансформатора, который помещается на уголке стола, составляет только 3 кВа. И маленькие электро­двигатели, выкрашенные в ярко-красный цвет, – машины постоянного и переменного тока – не столь массивны, сколь их промышленные собратья. Но они позволяют создать электрическую систему, в миниатюре повторяющую схему, скажем, отдельного энергоблока большой электростанции. «У студента исчезает психологический барьер при практической эксплуатации оборудования, – объясняет профессор кафедры электропривода и электрического транспорта. – Ведь одно дело описать схему на бумаге, а другое – собрать её своими руками». 

Для подобных практикумов разработаны специальные руководства – методические указания из нескольких десятков страниц. Студентам их выдают заранее, чтобы они могли подготовиться к лабораторной работе, а по приходу в лабораторию на то, чтобы приступить к занятию, у них уходило не более 10–15 минут. После сборки электрической системы – для коммутации используются обычные провода со стандартными разъёмами – необходимо заполнить протокол испытаний для занесения экспериментальных данных. А преподаватель после проведения исследований, в свою очередь, должен в нём расписаться, чтобы подтвердить: все необходимые характеристики были достигнуты. «Качественно они такие же, как и на мощном оборудовании, но количественно, конечно, различаются, – говорит Константинов. – Скажем, двести ватт вместо десяти тысяч киловатт». 

Одно из преимуществ, которое такая система даёт преподавателю, – это возможность проводить лабораторные работы фронтальным методом. Термин знаком тем, кто изучал педагогику, но вместо того, чтобы приводить его научное определение, поясним, что это обычное решение одной и той же задачи несколькими группами студентов одновременно. В нашем случае каждая из них может работать за одним из четырёх учебных стендов с традиционным энергетическим оборудованием, установленных в лаборатории. Примечательно, что их конфигурация может меняться – техника объединена в небольшие блоки, которые можно компоновать в зависимости от конкретной задачи. Таким способом учат не только энергетиков, но и инженеров в других отраслях. Например, в авиации, где с помощью подобных блоков имитируют системы самолёта и, объединяя их, «строят» совершенно разные типы виртуальных воздушных судов. 

Ветряк в миниатюре

«Это не просто хвостик, а флюгер. Он позволяет ветряку поворачиваться по направлению к ветру»

Стенды, позволяющие моделировать работу традиционных электрических машин, интересны без сомнения, но изюминка лаборатории – оборудование, позволяющее изучать «зелёную» генерацию. В их число входит компактная ветроэнергетическая установка. Трёхлопастной ветряк, заключённый в квадратный сетчатый кожух со стороной чуть больше метра, сразу бросается в глаза. К нему, как и положено у больших электростанций, подключён генератор, который позволяет пре­образовывать создаваемую под напором потока воздуха механическую энергию в электричество, и конструкция, напоминающая горизонтальный стабилизатор самолёта. Надпись на ней гласит: «Air 40. Made in the USA». «Это не просто хвостик, а флюгер, – отвечает наш собеседник на вопросительный взгляд. – Он позволяет ветряку поворачиваться по направлению к ветру». 

Где-то для создания мощного потока воздуха, позволяющего запустить всю энергетическую установку, используют мощные вентиляторы наподобие тех, что применяют в горных шахтах. В случае с тем стендом, которые приобрели для иркутского политеха, поступили проще: ветряк вращает электродвигатель, чью тягу можно регулировать. Потребляемая мощность стенда при этом сравнительно невелика – всего 500 Вт. Для того чтобы скорость вращения лопастей не достигала запредельных значений, мотор подключён через редуктор. Так имитируется работа настоящей энергетической установки, причём она не зависит от внешних условий – скорость «ветра», который «создаёт» электродвигатель, можно задавать вручную или, при наличии компьютера с подходящей программой, автоматически. При этом генератор, как и положено, будет вырабатывать электроэнергию. Её можно использовать для питания какой-либо нагрузки или накапливать в аккумуляторе – в стандартное оснащение входит довольно ёмкая батарея. К слову, помимо натурной модели ветроэнергетической установки в лаборатории есть электромеханическая, позволяющая исследовать ветряки с горизонтальной и вертикальной осями вала и с разным числом лопастей, отличающаяся, по большому счёту, тем, что в ней роль ветряка играет электродвигатель. Тем не менее она с тем же успехом имитирует работу электростанции, использующей энергию воздушных потоков. 

Учебные стенды позволяют собрать любую электрическую систему. Коммутация понятна на интуитивном уровне даже гуманитарию

Стенд, моделирующий солнечную электростанцию, может, напротив, похвастать фотоэлектрической панелью. Правда, она невелика – примерно 25 на 16 см, если мерить на глазок. Зато при таких размерах способна выдавать до 800 Вт, чего достаточно, допустим, для работы современного чайника-термоса, способного вскипятить пять литров воды. Но её задача, само собой, заключается не в том, чтобы давать ток для бытовых приборов. Цель – научить студентов работать с оборудованием настоящих солярных электростанций, которые в России пока не так распространены, как в США, Европе или Китае, но, тем не менее, получили своё развитие в последние несколько лет. 

Если говорить о той установке, которая теперь есть в распоряжении НИ ИрГТУ, то она не преобразует энергию солнца в электричество: источником света является обыкновенная лампа, чью яркость свечения можно регулировать. Как только научный руководитель лаборатории щёлкает выключателем, чтобы включить её, раздаётся негромкий, но ощутимый гул – заработали вентиляторы, не дающие фото­электрической панели нагреваться. Тем временем на экранах мультиметров высвечиваются цифры, а стрелки расположенных на том же стенде вольтметров и амперметров приходят в движение, чтобы продемонстрировать – установка начала вырабатывать ток. А стоит наклонить панель, чтобы сыми­тировать разный угол падения солнечных лучей, как и показатели меняются. Миниатюрная солярная станция ведёт себя точно так же, как настоящая большая.  

Серьёзный подход к серьёзному делу

Миниатюрную солнечную панель можно поворачивать, имитируя разные углы падения солнечных лучей

Ещё три стенда с микромашинами, несмотря на такое название, тоже являются уменьшенной копией оборудования, применяющегося в промышленности. Но это обстоятельство ни в коей мере не умаляет того факта, что к работе с ними, равно как и с другой техникой, следует подходить с той же серьёзностью, которой требует большая энергетика. «У нас промышленное напряжение, 220 и 380 вольт, – предупреждает Геннадий Григорьевич. – Поэтому по технике безопасности больше трёх-четырёх человек в бригаде, работающей на стенде, быть не может». Обычно для учебных занятий в лаборатории набирают группу из 12 студентов (говорят, отбоя от желающих нет). При этом остаётся возможность зарезервировать один стенд для научных исследований. 

В лаборатории нашлось место и для старых электрических машин, играющих роль наглядных пособий

В перечне специальностей, студенты которых занимаются в лаборатории «Исследования высокоэффективного энергетического оборудования и нетрадиционных возобновляемых источников энергии», насчитывается около десяти пунктов. В большинстве те, кто учится в институте энергетики НИ ­ИрГТУ очно или заочно. Это, среди прочих, будущие специалисты в области электроэнергетики, автоматизации, электротехники, эксплуатации электрических станций и городского электрического транспорта. Занятия проводятся и для студентов, изучающих горные машины и электротехнические системы. Не обошли стороной и робототехников. Все, кто перечислен выше, могут приобрести в лаборатории бесценный опыт «живой» работы, который, в отличие от большой энергетики или промышленности, не даётся ценой ошибок, чреватых серьёзными последствиями.