第十六章电路分析

1第十六章电路分析16.1什么是电路分析电路分析可以计算源电压和源电流在电路中引起的电压和电流分布。分析方法由源的类型来决定：源的类型分析方法交流（AC）谐波分析直流（DC）静态分析随时间变化瞬态分析要在电磁学分析中用有限元来模拟全部电势，就必须提供足够的灵活性来模拟载流电磁设备。ANSYS程序对于电路分析有如下性能：·用经过改进的基于节点的分析方法来模拟电路分析·可以将电路与绕线圈和块状导体直接耦合·2-D和3-D模型都可以进行耦合分析·支持直流、交流和时间瞬态模拟ANSYS程序中先进的电路耦合模拟功能精确地模拟多种电子设备，：·螺线管线圈·变压器·交流机械16.2使用CIRCU124单元ANSYS提供一种通用电路单元CIRCU124对线性电路进行模拟，该单元求解未知的节点电压（在有些情况下为电流）。电路由各种部件组成，如电阻、电感、互感、电容、独立电压源和电流源、受控电压源和电流源等，这些元件都可以用CIRCU124单元来模拟。注：本章只描述CIRCU124单元的某些最重要的特性，对该单元的详细描述参见《ANSYS单元手册》。16.2.1可用CIRCU124单元模拟的电路元件对CIRCU124单元通过设置KEYOPT（1）来确定该单元模拟的电路元件，如下表所示。例如，把KEYOPT（1）设置为2，就可用CIRCU124来模拟电容。对所有的电路元件，正向电流都是从节点I流向节点J。表1CIRCU124单元能模拟的电路元件电路元件及其图形标记KEYOPT（1）设置实常数电阻（R）0R1=电阻（RES）电感（L）1R1=电感（IND）R2=起始电感电流（ILO）电容（C）2R1=电容（CAP）R2=起始电容电压（VCO）互感（K）8R1=初级电感（IND1）2R2=次级电感（IND2）R3=耦合系数（K）电压控制电流源（G）9R1=互导（GT）电流控制电流源（F）12R1=电流增益（AI）电压控制电压源（E）10R1=电压增益（AV）电流控制电压源（H）11R1=互阻（RT）绕线圈电流源（N）5R1=系数（SCAL）2D块状导体电压源（M）6R1=系数（SCAL）3D块状导体电压源（P）7R1=系数（SCAL）注意：全部的电路选项如上表和下图图1所示，ANSYS的电路建模程序自动生成下列实常数：R15（图形偏置，GOFFST）和R16（单元识别号，ID）。本章下一节将详细讨论电路建模程序。3下图显示了利用不同的KEYOPT（1）设置建立的不同电路元件，那些靠近元件标志的节点是“浮动”节点（即它们并不直接连接到电路中）。16.2.2CIRCU124单元的载荷类型对于独立电流源和独立电压源可用CIRCU124单元KEYOPT（2）选项来设置激励形式，可以定义电流或电压的正弦、脉冲、指数或分段线性激励。详细的载荷函数图和相应的实常数请参见《ANSYS单元手册》。16.2.3将FEA（有限元）区耦合到电路区可将电路分析的三种元件耦合到FEA区，图2所示的这三种元件直接连接到有限元模型的导体上（耦合是在矩阵中进行耦合的，因此只能为线性的）：在绞线圈连接中不能存在涡流，磁矢势（MVP）和电流决定线圈电压，连接的电路方程为：上述方程中，Rc为线圈电阻，nc为匝数，Sc为线圈横截面积在块导体连接中可以考虑集肤效应，导体中的MVP和电压决定总电流，连接的电路方程为：4上述方程中，LC是导体长度，ΔV是电压降。ANSYS程序通过电路元件和FEA导体单元上两个附加的自由度来达到耦合的目的，这些自由度特性如下：·CURR—流过电路和模型导体的电流·EMF—模型导体（2D绞线圈、2D块导体和3D线圈导体）的电压降·VOLT—3D块状导体内的电位16.3使用CIRCU125单元可以用CIRCU125单元为通用二极管和齐纳二极管建模。使用此单元时，请注意：·在二极管任何状态下，其I-U曲线的分段线性特性对应于一个Norton等效电路，这个等效电路有一个动态阻抗(在工作点反向倾斜)和一个电流源（在I-U曲线的切线和I轴相交）。·如果电压降比二极管（通常是理想二极管）的导通电压低很多，则在提取由单元misc记录号提供的单元电压降、电流、焦耳热损耗计算数据时会提示有取消错误。要获得更准确的结果，需要通过提取单元的反力来获得单元电流，并根据二极管状态和I-U曲线重新计算电压。·可以在后处理器中画二极管的能量和状态图·若AUTOTS打开，则按照标准的ANSYS自动时间步长功能来确定求解时间步长。程序根据动态系统的特征值来估计时间步长。当状态变化方向是按照预期估计的方向进行，则单元会发出调小时间步的信号，与接触单元间隙闭合类似。·CIRCU125单元是高度非线性单元。要获得收敛结果，通常需要定义收敛标准，而不是仅用缺省值。用CNVTOL,VOLT,,0.001,2,1.0E-6来改变收敛标准。16.4使用电路建模程序对于所有电路分析，首先需要用CIRCU124,CIRCU125,TRANS126,COMBIN14,COMBIN39,和MASS21单元来建立电路模型。建立电路模型的首选是使用ANSYS的电路建模程序，这是一个通过ANSYS图形用户界面（GUI）提供交互式处理的专用模块，它可以完成如下功能：·可以用鼠标来选择电路元件并把它们放置在电路中所要求的位置·交互式建立电路模型·给电路元件赋予“实”常数并进行编辑·给独立源赋予激励·以图形的方式验证所加激励·以交互的方式来和FEA区进行连接·可对电压源和电流源元件定义源载荷5电路建模程序可生成单元类型、实常数、定义节点和单元。支持多种单元类型。和使用其他GUI特性一样，电路建模程序把用于建立电路模型的全部命令都写入记录文件（LOG文件）。GUI提供专用的“wireelement”选项。可以方便的用“wire”连接各个电路。Wire表示连接两点间的一小段短电路（导电率无穷大）。MESH200单元只用来进行可视化的表示。Wire两端的节点要进行电压耦合（CP命令），如果两段或更多段Wire连接在一起，则所有的节点都要进行电压耦合。删除其中的一段，则所有连接在一起的Wire单元、节点耦合集以及所有没有与非“Wire”单元连接的节点都要被自动强行删除。16.4.1建立电路为了建立电路，应激活ANSYS的GUI和使用下面描述的步骤。在此也给出有关电路建模的补充提示：电路图标都是固定尺寸，通过电路建模程序的“CenterWP”选项可以设置图形的焦点和距离（MainMenuPreprocessor-Modeling-CreateCircuitCenterWP）。·对电路图标进行放缩或者改变电路布线的宽度，使用电路建模程序的ScaleIcon选项（MainMenuPreprocessor-Modeling-CreateCircuitScaleIcon.）。可以考虑显示两个窗口：一个是电路，另一个为所建模型记住要将电路中的一个节点接地（通过GUI：MainMenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Electric-Boundary-Voltage-OnNodes，或者用D命令）。建模步骤如下：1．点取菜单路径MainMenuPreferences，选项对话框出现。2．如果打算做电路电磁耦合分析，选取“Electromagnetic”。如果仅仅只做电路分析，则选取“Electric”。3．点取UtilityMenuFileChangeJobname.对话框出现，为你的分析定义工作名，然后单击OK按钮。4．点取UtilityMenuFileChangeTitle，在对话框内为你的分析规定一个标题名，然后单击OK。5．点取MainMenuPreprocessorCreateCircuit，出现电路建模菜单。6．如果需要把电路的放置远离目前的有限元模型（例如耦合电磁—电路分析），则在实用命令菜单中，使用工作平面（WorkPlane）选项，把工作平面原点移动到要开始建立电路模型的位置（否则，则跳过此步）。电路的位置可以是任意的，且不影响分析结果。为了方便起见，可使用MainMenuPreprocessor-Modeling-CreateCircuitCenterWP来使工作平面原点处于图形窗口的中心。7．从电路建模菜单中选择所需电路元件且遵照ANSYS输入窗口中的提示来建立模型。通常是先用鼠标确定单元的I和J节点的位置，然后选取I—J线的一个偏置位置来为电路元件定位。每种电路单元的长度和相对于其他电路单元位置可以是任意的，且不影响分析结果。一旦已定义好全部所需位置，将弹出一个对话框，要求输入ID号（单元号）和实常数。如果单元的图标尺寸太小，或电线太细，可通过MainMenuPreprocessor-Modeling-CreateCircuitScaleIcon来调整图标显示8．建立好电路后，如果必要的话，可以验证和修改数据。PlotWaveform菜单用于绘图和验证输入负载的波形。另一个菜单，EditRealCnst，用于校核和修改任何电路元件的实常数。删除特定的电路元件的方式是MainMenuPreprocessorDelete。6电路建模程序是建立电路模型的最方便的方法，也可以不用该程序，通过直接定义节点、单元类型、单元和实常数来建立模型。一旦你建好电路，你可以进行静态、谐波或瞬态分析（源项确定了分析类型）16.5避免电路不合理应该避免建立不合理电路，下面叙述不合理电路的情况：16.5.1DC（直流）和谐波分析16.5.1.1电压源不要构成一个回路在图3中，根据Kirchoff（克希荷夫）回路方程，节点1和2之间电压会是多少？V1和V2不相等，电势不合理。注意到在右图中电压发生器形成一个回路，即使电压V1和V2一致，也会导致数值求解错误。图4图5是更复杂的不合理电路：16.5.1.2电流源不要形成短路在左下图6中，检查节点1的Kirchoff（克希荷夫）节点方程，怎么平衡？如果I1≠I2，则平衡不为零，电流不合理。即使I1＝I2，数值求解也会错误。右下图7所示的电路更为复杂。这里，电流源没有公共节点，但在图中所示的“超节点”上合乎Kirchoff节点定律。“超节点”称为短路。不能形成短路，即，不允许建立只有流入电流的超节点。716.5.2瞬态分析16.5.2.1电容和电压源不要形成回路在瞬态分析中，当t=0时，电容就相当于一个电压源，其电压为电容的起始电压，如右图图8所示。在右下图9中，当开关刚闭合时，左侧电路的起始电流分布能用右侧的等效电路来计算。这是一个不合理电路（会产生无穷大电流），因为电压源成了回路，不满足DC/AC电路中电压源不能形成回路的要求。16.5.2.2电感和电流源不应短路在瞬态分析中，当t=0时，一个电感就相当于是一个电流源，其电流为赋予的初始电流，如下面图10所示。8在图11中，当开关刚闭合时，左侧电路的起始电压分布可以用右侧的等效电路来计算。这是一个不合理电路（会产生无穷大电压），因为电流发生器形成一个了短路。这些电路是矛盾的。如果用户不申明，ANSYS不会自动检测出这些矛盾。16.6静态（直流）电路分析静态（DC）电路分析用以确定一个受外加直流源电压或直流源电流的电路中的电压和电流分布，静态电路分析支持所有的电路元件。16.6.1建立静态电路分析模型在一个静态分析中，ANSYS程序把电容当作开路处理，把电感当作短路处理。可以用一个小电阻表示短路，但正确地表示短路条件的方式是耦合电感器两个节点的电压自由度：命令：CPGUI：MainMenuPreprocessorCoupling/Ceqn/CoupleDOFs一旦建好电路模型，就可以加载和求解，然后观察结果。16.6.2加载和求解此步定义分析类型和选项、加载和开始有限元求解。步骤如下：16.6.2.1进入求解器命令：/SOLUGUI：MainMenuSolution16.6.2.2定义分析类型·在GUI方式中，点取菜单路径MainMenuSoluti