大功率霍尔推力器匹配回路设计与实验研究

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在霍尔推力器工作过程中的放电电流低频振荡会导致推力器性能降低并影响电源的稳定工作。为了降低低频振荡的影响,最常用的方法就是在推力器和电源之间加入一个匹配回路。但是,传统的LC匹配回路在应用于大功率霍尔推力器时存在直流功耗大、重量大的问题,开发和设计适用于大功率霍尔推力器的匹配回路具有重要的应用价值。首先,本文针对传统的LC匹配回路不适用于大功率霍尔推力器的问题,设计了一种新型的耦合电感匹配回路,发现耦合电感匹配回路存在一个衰减很大的陷波频率可以实现对低频振荡的滤除效果。研究了耦合电感匹配回路各参数对陷波频率和衰减效果的影响。其次,根据模型计算的结果选择了耦合电感匹配回路的参数,通过实验研究了耦合电感匹配回路和传统匹配回路的滤波效果的区别;对低频振荡进行了分类,研究了耦合电感匹配对于不同类型低频振荡滤波效果,发现匹配回路对具有大幅值低频特性的第一类振荡的衰减效果最好;并且研究了耦合电感匹配回路各参数对匹配回路整体滤波特性的影响,实验结果表明匹配回路交流侧电容和电感参数显著影响陷波频率,当陷波频率处于推力器振荡的范围内,显著提升匹配回路的滤波效果,陷波频率偏离低频振荡频率范围滤波效果急剧下降。再次,面向大功率应用场景研究了耦合电感匹配回路直流侧电感的功耗特性,分析了交流侧电感的功耗与推力器振荡之间的联系。模拟了交流侧断路和电感短路等典型故障模式,发现在发生故障时匹配回路仍然具有一定的滤波效果。同时面向实际应用研究了推力器点火瞬态耦合电感的点火冲击以及稳态时匹配回路电容的电压应力,为实际工程参数设计与选型提供参考。最后,研究了电感和电容的选择对匹配回路的体积和重量的影响。分析了电感磁芯材料对匹配回路体积和重量的影响,比较了LC匹配回路和耦合电感匹配回路在应用于不同功率推力器匹配回路重量以及发热功率的差异。结果表明耦合电感匹配回路可以降低电感电阻从而降低匹配回路发热功率,在小功率时耦合电感匹配回路的重量没有优势,但是推力器功率越大耦合电感匹配回路的重量低、发热功耗低的优势越明显,对于50k W量级的推力器重量降低了25.43%、发热功耗降低了30.56%。
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