Минималистичный онлайн-симулятор линейных DC и AC цепей

    Расскажу о своем поделии, которое я использовал на бывшей работе. Преподавание теоретической электротехники предполагает решение многочисленных задач и выполнение экспериментов в ходе лабораторных работ. Результаты решения задачи или выполнения эксперимента, естественно, желательно проверить — а вдруг ошибка какая вышла?

    Скрытый текст
    Баланс электрических мощностей — штука, безусловно, хорошая, но ведь ошибиться можно и в нем. На выручку приходит моделирование. Симуляторы электрических цепей имеют богатую историю, и собрать модель цепи постоянного тока, например, в LTspice проблем не составит. Но это если в наличии у студента есть ноутбук или достаточный парк компьютеров в учебной аудитории. А так бывает не всегда и не везде :-) Есть симуляторы с графическим интерфейсом и для смартфонов, но удобство их использования — вопрос спорный. Но даже если симулятор и доступен, есть своеобразная проблема с моделированием установившегося режима цепей синусоидального тока. Если их моделировать в "transient"-режиме, то возникает вопрос с учетом длительности переходного процесса, возникающего при включении цепи — проблема "steady state detection". Но, скажете Вы, есть же режим "AC analysis". Это, конечно, так, но удобство его использования и интерпретации его результатов при решении учебной задачи расчета цепи синусоидального тока — на большого любителя. И о реактивных и полных мощностях симулятор тоже ничего не знает, да и определение показаний ваттметра — дело далеко не тривиальное.

    Я решил сотворить минималистичный симулятор линейных электрических цепей постоянного и синусоидального тока FoxySim с текстовым вводом описания цепи, для использования которого требуется устройство с браузером и возможностью ввода текста + доступ в Интернет.

    Браузер может быть любым, даже текстовым — вот, например, симуляция в Lynx:

    image

    Схема рассчитываемой цепи описывается списком соединений (netlist), состоящим из директив, описаний компонентов и комментариев:

    image

    Формат описания я сделал в духе SPICE с добавлениями, нацеленными именно на использование при преподавании теоретической электротехники (измерительные приборы, комплексные величины etc).

    Вводим в текстовое поле список соединений, например, вот такой (большая часть строк имеет довольно простую структуру — для элементов: имя, начальный узел, конечный узел, номинал; для амперметров и вольтметров: имя, узел начала обмотки, узел конца обмотки, с ваттметром малость посложнее — у него обмоток цельных две:-); также можно заметить значение ЭДС, заданное как параметр — чтобы не повторять одно и то же число трижды)

    .AC 50
    VA 1 0 {E} 0
    VB 2 0 {E} -120
    VC 3 0 {E} 120
    .PARAM E 220
    PW1 1 4 1 3
    PW2 2 5 2 3
    PAA 4 6
    PAB 5 7
    PAC 3 8
    R1 6 9 500
    L1 7 9 300m
    C1 8 9 50u
    PVA 6 9
    PVB 7 9
    PVC 8 9
    PVN 9 0
    .END

    нажимаем кнопку «Пуск!» и получаем результат :-)

    image

    Введенное описание схемы сохраняется в cookies, можно переключать язык интерфейса.
    Симулятор без лишних затей реализован на Go (я в восторге от этого языка) в виде Web-приложения.

    Для моделирования электрических цепей я использовал MNA-метод.

    Симулятор доступен по адресу http://sim.foxylab.com

    Код проекта выложен на GitHub.

    Вот ряд примеров:

    моделирование цепи постоянного тока

    Схема:

    image

    Список соединений:

    .DC
    V1 1 0 10
    R1 1 2 5
    R2 2 0 15
    R3 2 3 20
    V2 3 0 30
    I1 2 0 5
    .END

    Результат:

    image

    моделирование линейной цепи синусоидального тока

    Схема:

    image

    Список соединений:

    .AC 50
    V1 1 0 100 0
    PW1 1 2 1 0
    PQ1 2 3 2 0
    PF1 3 4 3 0
    PA1 4 5
    PV1 1 0
    R1 5 6 50
    L1 6 7 100m
    C1 7 0 80u
    .END

    Результат:

    image

    моделирование сложной несимметричной трехфазной цепи с комплексными сопротивлениями

    Схема:

    image

    Список соединений:

    .AC 50
    VA 1 0 {E} 0
    VB 2 0 {E} -120
    VC 3 0 {E} 120
    .PARAM E 220
    PW1 1 4 1 3
    PW2 2 5 2 3
    Z1 4 6 8 30
    Z2 5 7 12 -50
    Z3 3 8 10 90
    Z4 6 7 15 0
    Z5 7 8 6 -30
    Z6 6 8 18 60
    .END

    Результат:

    image

    Краткое описание формата директив и описаний элементов доступно здесь (кнопка image)

    Подробное описание симулятора можно посмотреть здесь.

    Небольшое видео, иллюстрирующее процесс моделирования цепи синусоидального тока —
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 13

      +1
      Эх, такое бы в студенческие годы на ТОЭ(((
        0
        Прикольно, но графики не хватает.
        MNA это я так понимаю модифицированный метод узловых потенциалов?

        PS графическая версия
        image
        image
          0
          MNA — да, модифицированный МУП.
          Симпатичная штука, но как насчет задания не реактивных сопротивлений, а емкостей, индуктивностей и указания частоты, дробных и кратных приставок, источников тока, индуктивных связей, зависимых источников, ваттметров, варметров, фазометров etc?
          P.S. Графика не предусмотрена изначально, для целей проверки расчетов или экспериментов это не требуется.
            0
            но как насчет задания не реактивных сопротивлений, а емкостей, индуктивностей и указания частоты, дробных и кратных приставок, источников тока

            все это есть.


            индуктивных связей, зависимых источников

            индуктивных связей нема. а вот что есть зависимые источники?

              0
              ИНУН, ИНУТ, ИТУТ, ИТУН.
              ваттметры, варметры есть?
              или активные, реактивные, полные потребляемые и вырабатываемые мощности для элементов?
              вольтметры, включенные между двумя произвольными точками цепи?
                0
                ИНУН, ИНУТ, ИТУТ, ИТУН.

                нету. да и зачем они в "статике"?


                активные, реактивные, полные потребляемые и вырабатываемые мощности для элементов?

                считаются для каждого элемента: активная, реактивная и полная.

                  0
                  причем здесь «статика»? Цепи с управляемыми источниками — традиционный раздел ТОЭ.
                  ваттметры есть? чтобы, например, проверить показания ваттметров по методу двух ваттметров?
                  вольтметры, включенные между двумя произвольными точками цепи?
                  P.S. Я сделал свой симулятор так, чтобы вычислительный эксперимент мог полностью заменить физический, т.е. в таблице с показаниями приборов можно делать две строчки — для натурного и вычислительного эксперимента и сверять значения.
                    0
                    причем здесь «статика»? Цепи с управляемыми источниками — традиционный раздел ТОЭ.

                    Статика в том что решается система линейных уравнений, для нарисованной цепи. И ничего больше. Зачем тут управляемый источник нужен? Если уж вводить управляемые источники то надо переходить к дифурам, т.е. по сути к переходным процессам в электрических цепях.


                    ваттметры есть?

                    Повторюсь — нету. Зато есть рассчет мощности для каждого элемента цепи.


                    вольтметры ...

                    Тоже нету. Но народ использует источник тока с J=0 (напряжение на нем рассчитывается).

                      0
                      Управляемые источники и дифференциальные уравнения НИКАК не связаны напрямую между собой, они бывают и в цепях постоянного тока, можете вот тут посмотреть www.ess-ltd.ru/elektro/raschet-zavisis.php. Но мой симулятор умеет их готовить и для синусоидального тока :-)
                      Расчет мощности для каждого элемента цепи не может заменить определение показаний ваттметров (в методе двух ваттметров, например, показания каждого из них в отдельности вообще не имеют физического смысла).
                        0
                        Управляемые источники и дифференциальные уравнения НИКАК …

                        Ок. По сути получаем то же что и для индуктивносвязанных катушек.


                        Расчет мощности для каждого элемента цепи не может заменить определение показаний ваттметров…

                        Сложить мощи и получить показания ваттметра по результатам рассчета не так уж и сложно.

                          0
                          Получить показания каждого ваттметра в отдельности в методе двух ваттметров сложением не получится :-)
          0
          В свое время игрался вот с такой штукой. Не совсем тоже самое, но может кому-то пригодитсяю
            0
            Тоже симпатичная штука, но для десктопа IMHO творение «Панамы» Майка получше будет, а на смартфоне юзабилити этого апплета под большим вопросом.

          Only users with full accounts can post comments. Log in, please.