Modeling and control of an electric arc

This thesis focuses on the modeling, identification and control of a three-phase plasma torch system. A compact, physically interpretable model was developed by integrating electrical network equations with nonlinear arc resistance dynamics and geometric rela- tionships derived from electrode positioning. Classical arc models—Mayr, Cassie, and Köhle—were adapted to include variable arc lengths, resulting in a nonlinear differen- tial–algebraic system suitable for control applications. To support accurate modeling, key system parameters—electrode resistance, inductance, and arc behavior—were identified using experimental data and optimization techniques. The updated arc model was validated and used to design a control scheme capable of regulating total arc power and maintaining power balance across branches. The proposed approach provides a robust foundation for future control and optimization of plasma-based hydrogen production systems.

Questa tesi si concentra sulla modellazione, l’identificazione e il controllo di un sistema di torcia al plasma trifase. È stato sviluppato un modello compatto e fisicamente in- terpretabile integrando le equazioni di rete elettrica con la dinamica non lineare della resistenza d’arco e le relazioni geometriche derivate dal posizionamento degli elettrodi. I modelli d’arco classici – Mayr, Cassie e Köhle – sono stati adattati per includere lunghezze d’arco variabili, dando vita a un sistema differenziale-algebrico non lineare adatto ad ap- plicazioni di controllo. Per supportare una modellazione accurata, i parametri chiave del sistema – resistenza dell’elettrodo, induttanza e comportamento dell’arco – sono stati identificati utilizzando dati sperimentali e tecniche di ottimizzazione. Il modello d’arco aggiornato è stato conva- lidato e utilizzato per progettare uno schema di controllo in grado di regolare la potenza totale dell’arco e di mantenere il bilanciamento di potenza tra i rami. L’approccio pro- posto fornisce una solida base per il futuro controllo e l’ottimizzazione dei sistemi di produzione di idrogeno basati sul plasma.