ANSYS電磁場分析指南 第十六章 電路分析

第十六章電路分析什么是電路分析電路分析可以計算源電壓和源電流在電路中引起的電壓和電流分布。分析方法由源的類型來決定：源的類型分析方法交流（AC）諧波分析直流（DC）靜態(tài)分析隨時間變化瞬態(tài)分析要在電磁學(xué)分析中用有限元來模擬全部電勢，就必須提供足夠的靈活性來模擬載流電磁設(shè)備。ANSYS程序?qū)τ陔娐贩治鲇腥缦滦阅埽骸び媒?jīng)過改進的基于節(jié)點的分析方法來模擬電路分析·可以將電路與繞線圈和塊狀導(dǎo)體直接耦合·2-D3-D·支持直流、交流和時間瞬態(tài)模擬ANSYS程序中先進的電路耦合模擬功能精確地模擬多種電子設(shè)備，：·螺線管線圈·變壓器·交流機械CIRCU124ANSYSCIRCU124CIRCU124CIRCU124見《ANSYSCIRCU124CIRCU124表所示。例如，把2，就可用CIRCU124IJ。表1CIRCU124單元能模擬的電路元件電路元件及其圖形標(biāo)記KEYOPT（1）設(shè)置實常數(shù)電阻（R）0R1=電阻（RES）電感（L）1R1=電感（IND）R2=起始電感電流（ILO）電容（C）2R1=電容（CAP）R2=起始電容電壓（VCO）R1=初級電感（IND1）互感（K）8R2=次級電感（IND2）R3=耦合系數(shù)（K）電壓控制電流源（G）9R1=互導(dǎo)（GT）電流控制電流源（F）12R1=電流增益（AI）電壓控制電壓源（E）10R1=電壓增益（AV）電流控制電壓源（H）11R1=互阻（RT）繞線圈電流源（N）5R1=系數(shù)（SCAL）2D塊狀導(dǎo)體電壓源（M）6R1=系數(shù)（SCAL）3D塊狀導(dǎo)體電壓源（P）7R1=系數(shù)（SCAL）注意：1，ANSYS生成下列實常數(shù)：R15（圖形偏置，GOFFST）R16（單元識別號，ID）下一節(jié)將詳細討論電路建模程序。志的節(jié)點是“浮動”節(jié)點（即它們并不直接連接到電路中）。CIRCU124CIRCU124選項來設(shè)置激函數(shù)圖和相應(yīng)的實常數(shù)請參見《ANSYSFEA（有限元）區(qū)耦合到電路區(qū)FEA2元模型的導(dǎo)體上（耦合是在矩陣中進行耦合的，因此只能為線性的）：在絞線圈連接中不能存在渦流，磁矢勢（MVP）和電流決定線圈電壓，連接的電路方程為：上述方程中，Rc

為線圈電阻，nc

為匝數(shù)，Sc

為線圈橫截面積MVP路方程為：上述方程中，L是導(dǎo)體長度，ΔV是電壓降。CANSYSFEA目的，這些自由度特性如下：·CURR—流過電路和模型導(dǎo)體的電流·EMF—模型導(dǎo)體（2D絞線圈、2D塊導(dǎo)體和3D線圈導(dǎo)體）的電壓降·VOLT—3D塊狀導(dǎo)體內(nèi)的電位CIRCU125CIRCU125注意：·I-UNorton效電路，這個等效電路有一個動態(tài)阻抗(在工作點反向傾斜)和一個電流源（在I-UI）。·如果電壓降比二極管（通常是理想二極管）misc取消錯誤。I-U·可以在后處理器中畫二極管的能量和狀態(tài)圖·AUTOTSANSYS計的方向進行，則單元會發(fā)出調(diào)小時間步的信號，與接觸單元間隙閉合類似?！IRCU125CNVTOL,VOLT,,0.001,2,1.0E-6使用電路建模程序CIRCU124,CIRCU125,TRANS126,COMBIN14,COMBIN39MASS21ANSYSANSYS（GUI）專用模塊，它可以完成如下功能：·可以用鼠標(biāo)來選擇電路元件并把它們放置在電路中所要求的位置·交互式建立電路模型·給電路元件賦予“實”常數(shù)并進行編輯·給獨立源賦予激勵·以圖形的方式驗證所加激勵·以交互的方式來和FEA區(qū)進行連接·可對電壓源和電流源元件定義源載荷電路建模程序可生成單元類型、實常數(shù)、定義節(jié)點和單元。支持多種單元類GUI寫入記錄文件（LOG）。GUI“wireelement”選項?？梢苑奖愕挠谩皐ire”連接各個電Wire（導(dǎo)電率無窮大）MESH200（CP命令），如果兩段WireWire“Wire”單元連接的節(jié)點都要被自動強行刪除。建立電路為了建立電路，應(yīng)激活A(yù)NSYSGUI關(guān)電路建模的補充提示：電路圖標(biāo)都是固定尺寸，通過電路建模程序的“CenterWP”置圖形的焦點和距離（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>CenterWP）。·對電路圖標(biāo)進行放縮或者改變電路布線的寬度，使用電路建模程序的"ScaleIcon"選項（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>ScaleIcon.）?？梢钥紤]顯示兩個窗口：一個是電路，另一個為所建模型記住要將電路中的一個節(jié)點接地（GUI：MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Electric-Boundary>-Voltage-OnD）。建模步驟如下：1．點取菜單路徑MainMenu>Preferences，選項對話框出現(xiàn)。2．如果打算做電路電磁耦合分析，選取“Electromagnetic”。如果僅僅只做電路分析，則選取“Electric”。UtilityMenu>File>ChangeJobnameOKUtilityMenu>File>ChangeTitleOK。MainMenu>Preprocessor>Create>Circuit，出現(xiàn)電路建模菜單。6．如果需要把電路的放置遠離目前的有限元模型（析），則在實用命令菜單中，使用工作平面（WorkPlane）選項，把工作平面原點移動到要開始建立電路模型的位置（否則，則跳過此步）。電路的位置可以是任意的，且不影響分析結(jié)果。為了方便起見，可使用MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Circuit>CenterWP處于圖形窗口的中心。ANSYSIJI—JID（單元號）和實常數(shù)。如果單元的圖標(biāo)尺寸太小，或電MainMenu>PreprocessorModeling-Create>Circuit>ScaleIcon建立好電路后，如果必要的話，可以驗證和修改數(shù)據(jù)。PlotWaveform菜單用于繪圖和驗證輸入負載的波形。另一個菜單，EditRealCnstMainMenu>Preprocessor>Delete。電路建模程序是建立電路模型的最方便的方法，也可以不用該程序，通過直接定義節(jié)點、單元類型、單元和實常數(shù)來建立模型。一旦你建好電路，你可以進行靜態(tài)、諧波或瞬態(tài)分析（源項確定了分析類型）避免電路不合理應(yīng)該避免建立不合理電路，下面敘述不合理電路的情況：DC（直流）和諧波分析電壓源不要構(gòu)成一個回路在圖3中，根據(jù)Kirchoff（克希荷夫）回路方程，節(jié)點1和2之間電壓會是多少？V和V不相等，電勢不合理。注意到在右圖中電壓1 2發(fā)生器形成一個回路，即使電壓V和V一致，也會導(dǎo)致數(shù)值求解錯誤。1 245電流源不要形成短路61克希荷夫）I≠II＝I1 2 1 27Kirchoff即，不允許建立只有流入電流的超節(jié)點。瞬態(tài)分析電容和電壓源不要形成回路t=089（會產(chǎn)生無窮大電流DC/AC電感和電流源不應(yīng)短路t=01011了短路。這些電路是矛盾的。如果用戶不申明，ANSYS不會自動檢測出這些矛盾。靜態(tài)（直流）電路分析靜態(tài)（DC）電路分析用以確定一個受外加直流源電壓或直流源電流的電路中的電壓和電流分布，靜態(tài)電路分析支持所有的電路元件。建立靜態(tài)電路分析模型命令：CPGUI：MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn/CoupleDOFs一旦建好電路模型，就可以加載和求解，然后觀察結(jié)果。加載和求解此步定義分析類型和選項、加載和開始有限元求解。步驟如下：命令：/SOLUGUI：MainMenu>Solution定義分析類型·GUIMainMenu>Solution>NewAnalysis擇靜態(tài)分析·ANTYPE，STATIC，NEW重啟動分析通常只使用于瞬態(tài)分析中。在模型上加載VOLT=0，VOLT=0：命令：DGUI：MainMenu>Solution>Loads-Apply>-Electric-Boundary>-Votage-OnNodes使用下列方法之一，可以修改源載荷：命令：R，RMODIFGUI：MainMenu>Solution>Other>ChangeRealConstRMODIF命令沒有相應(yīng)的圖形用戶界面菜單的。備份數(shù)據(jù)庫可以使用SAVE命令或工具條上的SAVE_DB按鈕來存儲ANSYS數(shù)據(jù)庫備份。命令：SOLVEGUI：MainMenu>Solution>CurrentLS命令：FINISHGUI：MainMenu>Finish觀察靜態(tài)電路分析的結(jié)果ANSYS（直流）Jobname.RTH還可以得到每個單元的如下導(dǎo)出數(shù)據(jù)：·單元電壓降（VOLTAGE）·單元電流（CURRENT）·單元控制電壓（CONTROLVOLT）·單元控制電流（CONTROLCURR）·單元能量（POWER）·單元加載（SOURCE）ANSYS進入通用后處理器中：命令：/POST1GUI；MainMenu>GeneralPostproc用下列方法之一，把結(jié)果文件中的數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)庫：命令：SETGUI：UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary列表顯示節(jié)點計算數(shù)據(jù)（電壓和電流）：命令：PRNSOLGUI：MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>NodalSolution列表顯示單元導(dǎo)出數(shù)據(jù)：命令：PRESOLGUI：MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElementSolution諧波（交流）電路分析諧波（交流）電路分析用以確定一個加載外部交流電壓或交流電流的電路中的電壓和電流分布。諧波電路分析可以分析所有的電路元器件。建立諧波電路分析模型見前面“使用電路建模程序”一節(jié)。加載和求解此步定義分析類型和選項、加載和開始有限元求解。步驟如下：命令：/SOLUGUI：MainMenu>Solution定義分析類型·GUIMainMenu>Solution>NewAnalysisHarmonic·如果這是一個新分析，發(fā)命令A(yù)NTYPE，HARMIC，NEW命令：EQSLVGUI：MainMenu>Preprocessor>Loads>AnalysisOptionsCIRCU124(Frontal,矩陣求解器（Sparse）來進行求解計算。確定求解數(shù)據(jù)的列表顯示格式需要確定在打印輸出文件Jobname.OUT下：命令：HROUTGUI；MainMenu>Solution>AnalysisOptions在模型上加載VOLT=0，VOLT=0：命令：DGUI：MainMenu>Solution>Apply>Potential>OnNodes使用下列方法之一，可以修改源載荷：命令：R，RMODIFGUI：MainMenu>Solution>Other>ChangeRealConstRMODIF命令是沒有相應(yīng)的圖形用戶界面菜單的。定義載荷步選項定義諧波分析的工作頻率（HZ）范圍：命令：HARFRQGUIMainMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>FregandSubstps唯一能定義的通用選項為諧波求解數(shù)。諧波求解數(shù)可以是任意的，且這些數(shù)（子步數(shù)5060HZ10ANSYS60HZANSYS（50）做計算。定義諧波求解數(shù)的方式如下：命令：NSUBSTGUI：MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>FregandSubstps備份數(shù)據(jù)庫SAVE命令或工具條上的SAVE_DBANSYS命令：SOLVEGUI：MainMenu>Solution>CurrentLS進行另外的加載如果需要計算其他加載情況，重復(fù)4步到6步。命令：FINISHGUI：MainMenu>Finish觀察諧波電路分析的結(jié)果ANSYSJobname.RTH諧波電路分析的導(dǎo)出數(shù)據(jù)與靜態(tài)電路分析相同，且用相同的步驟觀察結(jié)果。對于諧波分析，也可以在單元表內(nèi)存儲每個單元的結(jié)果并作相應(yīng)的顯示：命令：PRETABGUI：MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ElemTableData瞬態(tài)電路分析的電路元器件。建立瞬態(tài)電路分析模型與本章前面“電路建模程序”一節(jié)中描述的過程一致。在電路建模程序中，需要以實常數(shù)的方式定義如下載荷：·獨立電流源和獨立電壓源的源載荷·初始條件，如電感的初始電流、電容的初始電荷·波形式的載荷，可以是正弦、脈沖、指數(shù)或分段線性的載荷（CIRCU124）一旦建立好電路模型，就可以加載、求解、并觀察結(jié)果，做瞬態(tài)電路分析時，應(yīng)注意如下幾點：·ANSYS處理時間步（3）·得到精確的結(jié)果，通?？赏ㄟ^該功能來模擬帶電阻的開關(guān)?！τ谔幚硭矐B(tài)分析的結(jié)果，ANSYSGUI以處理節(jié)點電壓和電流，以及特定的單元結(jié)果。加載和求解此步定義分析類型和選項、加載和開始有限元求解。步驟如下：命令：/SOLUGUI：MainMenu>Solution定義分析類型·GUIMainMenu>Solution>NewAnalysisTransient·如果這是一個新分析，發(fā)命令A(yù)NTYPE，TRANSIENT，NEW在重啟動時改變單元實常數(shù)，重啟動分析的前提條件是前一次分析的Jobname.EMAT、Jobname.ESAVJobname.DB命令：EQSLVGUI：MainMenu>Preprocessor>Loads>AnalysisOptionsCIRCU124(Frontal疏矩陣求解器（Sparse）來進行求解計算。在模型上加載VOLT=0，VOLT=0：命令：DMainMenu>Solution>Apply>Potential>OnNodes使用下列方法之一，可以修改源載荷：命令：R，RMODIFGUI：MainMenu>Solution>Other>ChangeRealConstRMODIF命令是沒有相應(yīng)的圖形用戶界面菜單的。定義載荷步選項在瞬態(tài)分析中，缺省為時間積分效應(yīng)打開，但可以關(guān)閉它們已獲得靜態(tài)解。打開或關(guān)閉時間積分效應(yīng)的方式如下：命令：TIMINTGUI：MainMenu>Solution>Time/Frequenc>TimeIntegration通用選項可以定義瞬態(tài)分析的三種通用選項：時間、積分時間步長和自動時間步長功能定義載荷步終止時間的方式如下：命令：TIMEGUI：MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandSubstpsMainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeStep積分時間步長是時間積分方案所用的時間增量，時間步長的大小直接影響求解精度，較小值有較高的精度。確定時間步長的方式如下：命令：DELTIMGUI：MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeDTIMEDTMIN確定最大時間步長。雖然在電路分析中不能使用自動時間長功能來自動地增減時間步長，但可以用它來按每步時間增加3倍的方式從起始時間步長到最后時間步長自動進行分步求解。打開自動時間步長功能的方式如下：命令：AUTOTSMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandMainMenu>Solution>LoadStepOpts-Time/Frequenc>Time-TimeStep當(dāng)源載荷波型存在尖銳變化時，應(yīng)把一個瞬態(tài)分析分成幾個載荷步來進行求定義時間步選項，以便在過渡點處取得一個較小的初始時間步長。輸出控制可以在打印輸出文件（Jobname.OUT）中包含任何結(jié)果數(shù)據(jù)。用下面方法控制這種結(jié)果的輸出：命令：OUTPRGUI：MainMenu>Solution>OutputCtrls>SoluPrintout在缺省設(shè)置下，打印輸出的是概總信息?？刂茖懭虢Y(jié)果文件（Jobname.RTH）的數(shù)據(jù)的方式如下：命令：OUTRESGUI：MainMenu>Solution>OutputCtrls>DB/ResultsFile注意：在缺省設(shè)置下，ANSYSFREQALL1。建立載荷步文件命令：LSWRITEGUI：MainMenu>Solution>WriteLSFile保存數(shù)據(jù)庫文件SAVE命令或者用工具條上SAVE_DBANSYS命令：LSSOLVEGUI：MainMenu>Solution>FromLSFiles命令：FINISHGUI：MainMenu>Finish觀察瞬態(tài)電路分析的結(jié)果ANSYS（直流）Jobname.RTH還可以得到每個單元的如下導(dǎo)出數(shù)據(jù)：·單元電壓降（VOLTAGE）·單元電流（CURRENT）·單元控制電壓（CONTROLVOLT）·單元控制電流（CONTROLCURR）·單元能量（POWER）·單元載荷（SOURCE）關(guān)于導(dǎo)出結(jié)果的詳細信息，可參見ANSYS單元手冊。POST1，POST26POST1觀察在整個瞬態(tài)時間內(nèi)的結(jié)果。命令：/POST26GUI：MainMenu>TimeHistPostpro把結(jié)果文件數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)庫：命令：SETGUI：UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummaryPOST261為計算數(shù)據(jù)定義變量：命令：NSOLGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>Elec&Mag>Circuit>DefineVariables為單元數(shù)據(jù)（推導(dǎo)數(shù)據(jù)）定義變量：命令：ESOLGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>Elec&Mag>Circuit>DefineVariables為反應(yīng)數(shù)據(jù)定義變量：命令：RFORCEGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>Elec&Mag>Circuit>DefineVariables一旦已定義好變量，就可以把它們與時間的關(guān)系或與其它變量的關(guān)系以圖形的方式繪制出來，方式如下：命令：PLVARGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>GraphVariables使用下列方法之一能列出變量的極限值：命令：EXTREMGUI：MainMenu>TimeHistPostpro>ListExtremes通過時間歷程曲線圖可以找出對整個模型有重要意義的時間點，然后在該關(guān)鍵時刻點處就可以用POST1作進一步的后處理。POST1POST1SETTIME（UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary）來讀取結(jié)果。如果在規(guī)定的時刻并沒有現(xiàn)存的結(jié)果可以利用，ANSYS（數(shù)來讀取結(jié)果）。利用下面的方法之一，列出節(jié)點計算數(shù)據(jù)（電壓和電流命令：PRNSOLGUI：MainMenu>GeneralPostpro>ListResults>NodalSolution利用下面的方法之一，列出單元導(dǎo)出結(jié)果：命令：PRNSOLGUI：MainMenu>GeneralPostpro>ListResults>ElementSolution諧波電路分析算例（命令流）該電路由兩個電阻、一個電感、一個獨立電壓源、一個獨立電流源、和一個電流控制電流源構(gòu)成，如圖所示，要確定電路中第4個節(jié)點處的電壓。該算例的命令流如下：/BATCH,LIST/PREP7/TITLE,ACCIRCUITANALYSIS/COM,SEESCHAUMSOUTLINE"BASICCIRCUITANALYSIS",2NDED,1992,/NOPRET,1,CIRCU124,4!VOLTAGEET,2,CIRCU124,3!CURRENTET,3,CIRCU124,0!RESISTORET,4,CIRCU124,1!INDUCTORET,5,CIRCU124,12!CURRENTCONTROLLEDCURRENTR,1,15,30!VOLTAGESOURCER,2,5,-45!CURRENTSOURCER,3,3!R1R,4,2!R2R,5,4!L1R,6,-3!CCCSN,1NGEN,10,1,1,1,1TYPE,1REAL,1E,2,1,7!TYPE,3REAL,3E,2,3!R1TYPE,4REAL,5E,3,1!L1TYPE,3REAL,4E,3,4!R2TYPE,5REAL,6E,3,4,5,2,1,7!CCCSTYPE,2REAL,2E,1,4!C1FINISH/SOLUANTYP,HARMD,1,VOLT,0PI=4*ATAN(1)HARFRQ,1/(2*PI)OUTPR,ALL,ALLHROUT,OFFSOLVEFINISH/POST1SET,1,1!READINREALSOLUTIONPRESOL,ELEM!PRINTCIRCUITSOLUTIONPERELEMENTSET,1,1,,1!READINIMAGINARYSOLUTIONPRESOL,ELEM!PRINTCIRCUITSOLUTIONPERELEMENTFINISH該算例的理論解是：4號節(jié)點:V=14.44-j1.41二極管電路分析