Design and simulation of AC / DC arc generator circuit

This study presents the design and simulation of a medium-voltage AC/DC arc generator circuit using LTspice software. The core components include a three-phase Variac for voltage regulation, a three-phase configuration of voltage transformer (VT) to generate medium voltage, and a six-pulse diode bridge rectifier. Two primary test scenarios are explored: (1) the characterization of dielectric materials under medium-voltage AC and DC conditions, and (2) the generation of low-current AC and DC arcs. Following the selection and integration of suitable circuit elements, simulation results reveal some limitations related to the VT and diode ratings, as well as significant challenges arising from voltage spike and rapid current surges during arc ignition and extinction phases. Dielectric characterization is feasible up to a certain threshold of dielectric leakage current, beyond which circuit components may experience overloading. Since the current delivered by the circuit component depends on the dielectric's leakage current, poor-quality dielectrics that produce higher leakage currents can significantly strain the circuit components. Similarly, generating low-current arcs is achievable, but requires careful attention to the abrupt current rise that occur during arc ignition and extinction. Incorporating a series resistor is an effective and economical method for limiting current rise; however, selecting an appropriate resistance value involves a trade-off between maximizing arc power and maintaining safe operating conditions. Due to significant current increase during arc events, the VT’s thermal limit is evaluated to determine threshold overload current and duration during arc test. To obtain thermal parameters of VT, a 616-minute short-circuit test was conducted, but thermal steady state was not reached. Higher current and longer duration are needed for conclusive thermal characterization.

Questo studio presenta la progettazione e la simulazione di un circuito generatore di archi elettrici AC/DC a media tensione utilizzando il software LTspice. I componenti principali includono un Variac trifase per la regolazione della tensione, una configurazione trifase di trasformatori di tensione (VT) per generare tensione media, e un raddrizzatore a ponte a diodi a sei impulsi. Vengono esplorati due scenari di test principali: (1) la caratterizzazione di materiali dielettrici in condizioni di tensione media AC e DC, e (2) la generazione di archi elettrici AC e DC a bassa corrente. Dopo la selezione e l'integrazione degli elementi circuitali appropriati, i risultati della simulazione rivelano alcune limitazioni legate alle specifiche dei VT e dei diodi, nonché sfide significative derivanti da picchi di tensione e rapidi aumenti di corrente durante le fasi di accensione e spegnimento dell'arco. La caratterizzazione dielettrica è fattibile fino a una certa soglia di corrente di dispersione dielettrica, oltre la quale i componenti del circuito possono subire sovraccarichi. Poiché la corrente fornita dal circuito dipende dalla corrente di dispersione del dielettrico, dielettrici di scarsa qualità che generano correnti di dispersione elevate possono mettere significativamente sotto stress i componenti del circuito. Analogamente, la generazione di archi elettrici a bassa corrente è possibile, ma richiede particolare attenzione all’improvviso aumento di corrente che si verifica durante le fasi di accensione e spegnimento dell’arco. L’inserimento di una resistenza in serie rappresenta un metodo efficace ed economico per limitare l’impennata di corrente; tuttavia, la scelta di un valore resistivo adeguato comporta un compromesso tra la massimizzazione della potenza dell’arco e il mantenimento di condizioni operative sicure. A causa del significativo aumento di corrente durante gli eventi di arco elettrico, il limite termico del VT è stato valutato per determinare la soglia di sovraccarico in corrente e la relativa durata durante il test di arco. Per ottenere i parametri termici del VT, è stato condotto un test di cortocircuito della durata di 616 minuti, ma non è stato raggiunto lo stato termico stazionario. Sono necessari valori di corrente più elevati e una durata maggiore per una caratterizzazione termica conclusiva.