第十六章 电路分析.doc

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）
R2=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。

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：

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