Metek TWRF1 SCR Series, Instruction, Operation And Maintenance Manual

TWRF1 SCR Power Controller 

Theory 

Rev 2 

Ametek HDR Power Systems 

17 

CHAPTER 4 - Theory 

4.1 

Functional Description 

The main function of the TWRF1 is to control the amount of power delivered to a load.  The TWRF1 
accomplishes this by controlling the portion of each input cycle for which power is delivered.   
 
The  SCR  is  either  on  or  off  and  conducts  in  one  direction  when  turned  on.    Because  the  SCR  only 
conducts in one direction, two SCR’s are connected in “inverse parallel” configuration, Figure 4.1.  A 
small gate signal is applied to turn on the SCR.  Once the SCR is turned on, it will remain On until the 
current through the SCR goes below the holding current level. 
 
For  Phase  angle  firing  each  pair  of  Inverse  Parallel  SCR’s  is  turned  on  for  a  variable  portion  of  the 
half-cycle that conducts.  This advancing or delay of the firing angle will regulate the power and is used 
to control fast responding loads. 

Figure 4.1  AC Switch and SCR On-time 

4.2 

Overview of the TWRF1 

The following paragraphs provide a functional description of the digital firing control circuit, pulse-train 
firing, phase-lock loop, SPAN and ZERO controls, voltage-squared feedback, shutdown, and soft-start 
circuitry. 
 

4.3 

Digital Firing Control Circuit 

Firing  (gating)  of  the  SCRs  is  controlled  by  a  digital  firing  control  circuit  synchronized  to  the  line 
frequency  (50  or  60  Hz).    The  firing  control  circuit  may  be  manually  controlled  by  the  built-in  ZERO 
control or a remote potentiometer.  Automatic control may be from a temperature or process controller 
that provides a demand-proportional low-level voltage or milliampere output signal.  The firing control 
circuit may  also  be  turned  on  and  off  by an  external  switch or  relay contacts.   (Chapter  4  discusses 
some external control methods.) 
 

4.4 

Pulse-Train Firing 

The output of the TWRF1 to the SCRs consists of a pulse-train of approximately 17 kHz.  This means 
that  for  every  cycle  of  controlled  output,  the  SCRs  would  receive  approximately  142  trigger  pulses, 
which will ensure constant gating during the “on” period of the TWRF1’s output.  This also ensures that 
the SCR is gated on in case of a mid-cycle turnoff. 
 

4.5 

Phase-Lock Loop 

When the output of the oscillator is locked to the input signal, it is said to be “locked” in phase.  The 
control  voltage  is  such  that  the  frequency  of  the  voltage  controlled  oscillator  is  exactly  equal  to  the 
frequency of the input signal.  For each cycle of input there is one cycle of oscillator output.  By this 
method,  the TWRF1’s output will be held  at 50 Hz or 60 Hz,  depending on configuration.  The input 
signal  is  filtered,  then  compared  to  the  oscillator,  improving  noise  immunity  over  conventional  sync 
circuits.