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Die Erfindung betrifft eine Auswuchtmaschine mit gesteuerter Gleichrichtung
der Geberspannung.
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Es sind Auswuchtmaschinen und Auswuchtverfahren bekannt, bei welchen
die Geberwechselspannungen mittels gesteuerter Gleichrichter im Rhythmus der Maschinendrehzahl
von zwei .Rechteckspannungen mit einer Viertelumdrehung Phasenversatz und mit vorzugsweise
je 1800 Tastverhältnis zerhackt werden. Die nach der Zerhackung erzielten Zwischenspannungen
werden jede für sich mittels eines RC-Gliedes integriert. Hinter den beiden RC-Glieden
stehen dadurch zwei Gleichspannungen zur Verfügung, die der X- und Y-Komponente
des Unwuchtvektors entsprechen. Die beiden Komponentengleichspannungen können anschließend
in gegeneinander phasenverschobene Rechteckspannungen mit einer von der Drehzahl
des Prüflings unabhängigen Frequenz umgesetzt werden, und es kann aus der Mischspannung
die Größe und die Phase der Unwucht ermittelt werden.
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Solche Auswuchtmaschinen mit gesteuerter Gleichrichtung haben den
Nachteil, daß ungeradzahlige Harmonische zu ihrem n-ten Anteil fälschlicherweise
zur Anzeige gebracht werden. Um diesen Nachteil zu beseitigen, schaltet man Filter,
vorzugsweise mit Tiefpaß charakter, zwischen den Meßgeber und die phasengesteuerte
Gleichrichtung, so daß die Oberwellen unterdrückt werden. Die gesteuerte Gleichrichtung
in Verbindung mit einem derartigen Filter hat gegenüber der bekannten Wattmeter-Methode
den Vorteil, daß nicht nur die Oberwellen, sondern daß auch andere, nicht harmonische
Frequenzen unterdrückt werden und somit mit kleinerem Pegel an die Verstärker und
die gesteuerten Gleichrichter gelangen, so daß diese von Übersteuerung freigehalten
werden. Die Störunterdrückung ist um so besser, je höher die Selektion dieses Filters
ist. Es ist von Vorteil, wenn sich diese Filter automatisch auf die Maschinendrehzahl
abstimmen. Eine automatische Abstimmung wird z. B. dadurch erreicht, daß eine am
Rotor angebrachte Markierung durch eine Fotozelle abgetastet wird und daß in bekannter
Weise eine der Drehzahl proportionale Spannung gebildet wird. Diese Spannung wird
zur Abstimmung des Filters benutzt. Abweichungen zwischen der Abstimmfrequenz des
Filters und der Maschinendrehzahl führen jedoch, insbesondere bei hoher Selektion
des Filters, zu Phasenfehlern zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des Filters
und somit zu Winkelanzeigefehlern.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik (s. die deutschen
Patentschriften 1 108 475, 1 103 637 und die belgische Patentschrift 700 429), ist
es nun Aufgabe der Erfindung, den vorgenannten Nachteilen abzuhelfen und eine verbesserte
Auswuchtmaschine mit gesteuerter Gleichrichtung in Vorschlag zu bringen. Insbesondere
soll hierbei die Frequenzselektivität verbessert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß bei einer Auswuchtmaschine, bei welcher zwischen die gesteuerten
Gleichrichter und eine Geberspannung ein Filter zur Unterdrückung fremder Frequenz
geschaltet ist und bei welcher die Unwucht in mindestens zwei Komponenten zerlegt-wird,
nach den gesteuerten Gleichrichtern jeder Unwuchtkomponente je ein Integrator mit
hoher Gleichspannungsverstärkung zugeordnet ist und daß an deren Ausgänge zwei Zerhacker
angeschlossen sind, welche synchron mit
den gesteuerten Gleichrichtern geschaltet
sind und deren Ausgangsspannungen mit der Geberspannung addiert werden, so daß für
die Schaltfrequenz der gesteuerten Gleichrichter ein geschlossener Kreis mit negativer
Rückkopplung entsteht. Hierdurch gelingt es erfindungsgemäß, die Selektivität auf
allen Störfrequenzen zu verbessern.
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In Weiterbildung der Erfindung wird bei einer Auswuchtmaschine mit
gesteuerter Gleichrichtung zwischen die Geberspannung und die gesteuerte Gleichrichtung
ein im Verstärkungsgrad veränderlicher Verstärker oder Abschwächer eingeschaltet,
hinter den gesteuerten Gleichrichtern jeder Komponente ein Integrator mit nahezu
unendlicher Gleichspannungsverstärkung zugeordnet und ferner an deren Ausgänge zwei
Zerhacker angeschlossen, deren Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung addiert
wird, so daß für die Schaltfrequenz der gesteuerten Gleichrichter ein geschlossener
Kreis mit negativer Rückkopplung entsteht. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung
ergibt sich der große Vorteil, daß eine Verbesserung der Selektion, wenn auch nur
in unmittelbarer Nähe der Drehzahl, unter gleichzeitiger Verkürzung der Meßzeit
erzielt werden kann, was bislang nicht möglich war, da eine Verbesserung der Selektion
eine Vergrößerung der Meßzeit mit sich brachte.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, welche eine
Auswuchtmaschine mit einem zwischen die Geberspannung und die gesteuerten Gleichrichter
geschalteten Filter zur Unterdrückung fremder Frequenzen betrifft, ist dadurch gekennzeichnet,
daß außer dem Filter auch noch ein Verstärker mit regelbarem Verstärkungsgrad zwischen
die Geberspannung und die gesteuerten Gleichrichter geschaltet ist, daß nach den
gesteuerten Gleichrichtern jeder Komponente je ein Integrator mit hoher Gleichspannungsverstärkung
zugeordnet ist und daß an deren Ausgänge zwei Zerhacker, welche synchron mit den
gesteuerten Gleichrichtern geschaltet werden, angeschlossen sind, deren Ausgangsspannungen
mit der Geberspannung addiert werden, so daß für die Schaltfrequenz der gesteuerten
Gleichrichter ein geschlossener Kreis mit negativer Rückkopplung entsteht. Bei dieser
Anordnung ergibt sich der große Vorteil, daß eine Verbesserung der Selektion, und
zwar auf allen Störfrequenzen, unter gleichzeitiger Verkürzung der Meßzeit erzielt
werden kann, was bisher ebenfalls unmöglich war.
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Die Erfindung ergibt somit den Vorteil, die Meßzeit - und damit die
Störunterdrückung in unmittelbarer Drehzahlnähe - zu beeinflussen und auf diese
Weise, trotz extrem kurzer Meßzeit, d. h. bei nur wenigen Rotorumläufen, eine wirksamere
Störunterdrückung in Drehzahlnähe zu erzielen, als dies bisher der Fall war.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus den Unteransprüchen
in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel ersichtlich, welches in der Zeichnung
durch drei schematische Schaltpläne erläutert und nachstehend beschrieben ist. Es
zeigt Fig. 1 einen Schaltplan des erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsbeispieles,
F i g. 2 und 3 je einen Schaltplan, der zur Erläuterung des Schaltplanes gemäß F
i g. 1 dient.
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In Fig. 1 ist eine Geberspannung Ue an einen Widerstand 1 angelegt.
Über diesen Widerstand gelange sie an ein Filter 2. Diesem Filter ist über einen
Widerstand
4 ein Operationsverstärker 3 zusammen mit einem Potentiometer 5 nachgeschaltet.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 3 ist mit den Eingängen von zwei elektronischen
Schaltern 6 und 7 verbunden. Diese sind zur besseren Verständlichkeit als mechanische
Schalter dargestellt. In der Praxis finden hier Transistoren Anwendung. Sie werden
über die Leitungen 8 und 9 mit Rechteckspannungen betätigt.
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Die Ausgänge der beiden elektronischen Schalter 6 und 7 werden den
Eingängen der beiden Operationsverstärker 10 und 11 zugeleitet. Diese beiden Operationsverstärker
sind durch die Kondensatoren 12 und 13 als Integratoren ausgebildet. Sie verfügen
über eine nahezu unendlich große Gleichspannungsverstärkung und durch die Beschaltung
mit den Kondensatoren 12 und 13 über eine sehr wirksame Wechselspannungsunterdrückung.
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Die Ausgangsgleichspannungen Ux, Uy der Operationsverstärker 10 und
11 entsprechen der X- und Y-Komponente des Unwuchtvektors. Sie werden über zwei
weitere elektronische Schalter 14 und 15, welche im gleichen Rhythmus wie die elektronischen
Schalter 6 und 7 betätigt werden, in Wechselspannungen Ul, U2 der ursprünglichen
Frequenz zerhackt.
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Die elektronischen Schalter 14, 15 sind der besseren Verständlichkeit
wegen als mechanische Schalter dargestellt. In der Praxis finden auch hier Transistoren
Anwendung. Der durch die Zerhackung der elektronischen Schalter 14, 15 verbleibende
Gleichspannungsgehalt wird in bekannter Weise durch nicht dargestellte Koppelkondensatoren
unterdrückt. Die so gewonnenen Rechteckspannungen Ul, U3 werden über die Widerstände
16, 17 addiert und ebenfalls dem Eingang des Filters 2 als negative Rückkopplung
zugeleitet.
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Ein Impuls J wird z. B. von einer Fotozelle abgegeben, welche eine
am Rotor angebrachte Markierung abtastet. Er dient als Phasenbezugssignal und wird
dem Eingangl8 eines Phasenkanais 19 zugeführt. Der Phasenkanal 19 erzeugt aus diesem
Impuls in bekannter Weise zwei Rechteckspannungen, welche um 900 gegeneinander phasenversetzt
sind und zur Steuerung der elektronischen Schalter 6, 14, 7 und 15 dienen.
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Der Phasenkanal 19 erzeugt fernerhin eine drehzahlproportionale Spannung,
welche über die Leitung 20 zur Abstimmung des Filters dient.
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Die Erfindung macht sich folgende Tatsache zunutze: Da die Verstärkung
zwischen dem Eingang des Filters 2 und den Ausgängen 21, 22, und zwar auf der Frequenz,
mit welcher die elektronischen Schalter betätigt werden, nahezu unendlich ist, können
endliche Spannungen Ux und Uy nur dann entstehen, wenn die Eingangsspannung des
Filters praktisch »0« ist. Dies ist nur dann der Fall, wenn der von der Spannung
Ue über den Widerstand 1 aufgebrachte Strom plus den Strömen in den Widerständen
16 und 17 gleich »0« wird. Dies wiederum bedeutet, daß die Addition der beiden Wechselspannungen
U, t U2= - Ue sein muß. Diese Bedingung ist vom absoluten Verstärkungsgrad und der
Phasenverschiebung des Filters 2 sowie vom Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers
3 praktisch nicht abhängig.
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Dies wiederum hat zur Folge, daß die Komponentengleichspannungen
Ux und Uy praktisch unbeeinflußt vom Phasenfehler und Amplitudenfehler des
Filters
2 und vom Verstärkungsgrad des Verstärkers 3 sind.
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Durch den Rückkopplungskreis wird folglich erreicht, daß Phasen-
und Verstärkungsfehler des Filters und des Verstärkers das Meßergebnis nicht beeinflussen.
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Der Rückkopplungskreis gilt nur für die Frequenz als geschlossen,
mit welcher die elektronischen Schalter betätigt werden. Für andere Störfrequenzen
ist der Rückkopplungskreis nicht geschlossen.
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Die Funktion ist in vereinfachter Form in den schematischen Schaltungen
Fig.2 und 3 wiedergegeben. Hierbei wird die Eingangsspannung Ue über den Widerstand
1 an den Eingang eines durch einen Widerstand 24 als Inverter geschalteten Operationsverstärkers
23 angelegt. Der Inverter 23 und der Verstärker 3 drehen die Phase jeweils um 1800,
so daß eine Gesamtphasenschiebung zwischen dem Eingang des Inverters 23 und dem
Ausgang des Verstärkers 3 von 0° entsteht. Die Integratoren 10 und 11 bewirken für
Gleichspannung eine Polaritätumkehr zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung.
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Zur besseren Verständlichkeit sollen die elektronischen Schalter
6 und 14 durch eine Rechteckspannung betätigt werden, welche mit der Wechselspannung
Ue in Phase ist, und zwar so, daß während der positiven Halbperiode der Wechselspannung
Ue die Schalter 6 und 14 geschlossen sind. Die elektronischen Schalter 7 und 15
sollen vom Zeitpunkt der positiven Spitze bis zur negativen Spitze der Eingangsspannung
Ue - also 900 später als die elektronischen Schalter 6 und 14 - geschlossen sein.
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Für diese spezielle Phasenlage zwischen der Eingangsspannung Ue und
der Schaltperiode der elektronischen Schalter wird folglich am Ausgang 21 des Integrators
10, 12 eine negative Gleichspannung Ux entstehen, während am Ausgang 22 die Gleichspannung
Uy OVolt beträgt, so daß der elektronische Schalter 15 und der Widerstand 17 nicht
beachtet zu werden brauchen.
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In der positiven Halbperiode der Eingangsspannung Ue ist der Schalter
14 geschlossen. Am Ausgang des Schalters 14 wird folglich eine Rechteckspannung
U, entstehen, die infolge des hohen Verstärkungsgrades des Integrators 10 genauso
groß ist, aber mit 1800 Phasenversatz, wie die Eingangswechselspannung Ue.
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Da die Wechselspannung Ue mit der gleichen Frequenz erfolgt wie die
Betätigung der elektronischen Schalter, wird am Eingang des Inverters 23 eine Wechselspannung
von nahezu 0 Volt entstehen. Der Inverter 23, der Verstärker 3 und die elektronischen
Schalter 6 und 7 werden folglich auf sehr kleinem Pegel betrieben.
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Die vom elektronischen Schalter 6 abgegebene Gleichspannung ist folglich
ebenfalls nahezu 0 Volt, damit am Ausgang 21 eine endliche Gleichspannung Ux entstehen
kann.
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Der Kondensator 12 ist nach mehreren Umläufen der Maschine auf die
Gleichspannung Ux geladen.
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Die Ladezeit hängt im wesentlichen von dem vom Verstärker 3 gelieferten
Strom ab. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 3 und damit der gelieferte Strom
zur Ladung des Kondensators 12 ist mit Hilfe des Potentiometers 5 einstellbar. Mit
dem Potentiometer 5 kann folglich die Ladezeit der Kondensatoren 12 bzw. 13 und
somit die Meßzeit auf bequemste
Weise variiert werden, ohne daß
die' Gesamtverstärkung des Kreises beeinflußt wird.
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Wählt man nun kurze Ladezeiten für die Kondensatoren 12,. 13, so
erreicht man zwar kurze Meßzeiten. Die Meßwerte aber können durch Störspannungen
drehz?hlnaher Frequenzen verfälscht sein.
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Wählt man lange Ladezeiten der Kondensatoren 12, 13, so erreicht man
zwar eine wirksame Unterdrückung der Störfrequenzen in Drehzahlnähe, muß aber eine
lange Meßzeit in Kauf nehmen. Um diese Nachteile zu vermeiden, stellt man beim Start
der Maschine zunächst eine kurze Meßzeit, z. B. mittels Potentiometer 5 ein und
erreicht dadurch schon nach wenigen Umläufen den angenäherten Meßwert, danach wird
die Meßzeit stetig oder in Stufen mittels des Potentiometers 5 verlängert, damit
der genaue Meßwert erreicht wird.
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Durch diese Maßnahme erreicht man bei kürzester Meßzeit eine sehr
wirksame Unterdrückung von Störfrequenzen in Drehzahlnähe Fügt man nun, wie in F
i g. 3 dargestellt, das Filter 2 an Stelle des Verstärkers 3 ein, so ergibt sich
folgende Situation: Es soll vorausgesetzt werden, daß derVerstärkungsgrad des Filters
2 ähnlich dem des Verstärkers 3 in Verbindung mit dem Widerstand 4 und dem Potentiometer
5 sein soll und daß bei richtiger Abstimmung das Filter 2 die Phase um 1800 drehen
soll. Für die -Resonanzfrequenz des Filters 2 ergeben sich folglich ganz ähnliche
Verhältnisse, wie in Fig. 2 dargestellt.
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Wenn nun die Eingangsspannug Ue zusätzlich mit fremdfrequenten Störspannungen,
beispielsweise der doppelten Frequenz überlagert ist, so wird diese Störfrequenz
am Ausgang des Filters 2 durch die Selektion desselben bereits wirksam unterdrückt,
so daß die Störfrequenz mit nur sehr kleinem Pegel gegenüber der Grundwelle an den
Eingängen der elektronischen Schalter 6 und 7 ankommt. Sie wird außerdem von den
elektronischen Schaltern 6, 7 nicht in Gleichspannungen umgewandelt; sie wird also
keine Verfälschung der Spannungen Ux und Uy zur Folge haben. Sie wird folglich auch
im Rückkopplungskreis nicht weiter verarbeitet.
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Verstimmt man nun die Abstimmfrequenz des Filters 2 geringfügig gegenüber
der Schaltfrequenz der elektronischen Schalter und der in der Eingangsspan.-nung
Ue enthaltenen Grundwelle, so werden sich zwar die Ausgangsphase und die Ausgangsspannung
des Filters 2 ändern. Infolge der hohen Gleichspannungsverstärkung der Operationsverstärker
10 und 11 wird dies jedoch an den Ausgängen 21 und 22 keine änderungen der Spannungen
Ux und Uy hervorrufen, da die Eingangsspannung am Filter 2 für die Grundwelle praktisch
0 Volt sein muß und somit die Ströme im Widerstand 1 und den Widerständen 16 und
17 gleich groß, aber um 1800 phasenversetzt sein müssen.
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Auf diese Weise erkennt man, daß geringfügige Fehlabstinunungen des
Filters 2 keine Meßfehler an den Ausgängen 21 und 22 zur Folge ,haben. Durch diese
Maßnahme ist man in der Lage, das Filter mit einer extremen Selektion zu versehen,
ohne Winkel-und Größenfehler in Kauf nehmen zu müssen. Bei Auswuchtmas chinen mit
kleinem Drehzahlvariationsbereich ist es daher nicht erforderlich, das Filter an
der Drehzahlvariation teilnehmen zu lassen. Es kann fest auf die mittlere Drehzahl
abgestimmt sein.
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Wie in F i g. 2 gezeigt und anfangs schon erwähnt,
bietet die erfindungsgemäße
Schaltung und das erfindungsgemäße Auswuchtverfahren den großen Vorteil, die Meßzeit
- und somit die Bandbreite auf der Grundwelle - durch den Verstärkungsfaktor des
Verstärkers 3 auf bequeme Weise zu beeinflussen. Bei hoher Verstärkung des Verstärkers
3 sind die Kondensatoren 12 und 13 in kürzester Zeit geladen bzw.
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umgeladen. Die Meßzeit wird folglich extrem kurz und die Bandbreite
auf der Grundwelle groß.
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Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen
vor, daß zu Beginn eines Meßlaufes der Maschine zuerst eine sehr kurze Meßzeit und
einige Umläuft, später eine längere Meßzeit einreguliert wird. Dies hat zur Folge,
daß sich die Meßwerte sehr schnell einstellen, jedoch durch Störfrequenzen in unmittelbarer
Drehzahlnähe zunächst schwanken, dann aber infolge der erhöhten Selektion sich völlig
beruhigen. Es werden nur wenige Umiäufe der Maschine bis zum Erreichen' der präzisen
Meßwerte Ux und Uy benötigt.
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Patentansprüche: 1. Auswuchtmaschine mit gesteuerter Gleich-.richtung
der Geberspannung, bei welcher zwischen gesteuerten Gleichrichtern und die Geberspannung
ein Filter zur Unterdrückung fremder Frequenzen geschaltet ist und bei welcher die
Unwucht in mindestens zwei Komponenten zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
nach den gesteuerten Gleichrichtern (6, 7) jeder Komponente je ein Integrator (10,
11, 12, 13) mit hoher Gleichspannungsverstärkung zugeordnet ist und daß an deren
Ausgänge (21, 22) zwei Zerhacker (14, .15), welche synchron mit den gesteuerten
Gleichrichtern (6, 7) geschaltet werden, angeschlossen sind, deren Ausgangsspannungen
mit der Geberspannung addiert werden, so daß für die Schaltfrequenz der gesteuerten
Gleichrichter (6, 7) ein geschlossener Kreis mit negativer Rückkopplung entsteht.
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2. Auswuchtmaschine mit gesteuerter Gleichrichtung der Geberspannung,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die gesteuerten Gleichrichter (6, 7) und die
Geberspannung ein im Verstärkungsgrad veränderlicher Verstärker oder Abschwächer
(3) eingeschaltet ist, daß hinter den gesteuerten Gleichrichtern (6, 7) jeder Unwuchtkomponente
ein Integrator (10, 11, 12, 13) mit nahezu unendlicher Gleichspannungsverstärkung
zugeordnet ist und daß an deren Ausgänge zwei Zerhacker (14, 15) an, geschlossen
sind, deren Ausgangssp annungen- mit der Eingangsspannung addiert werden, so daß
für die Schaltfrequenz der gesteuerten Gleichrichter (6, 7) ein geschlossener Kreis
mit negativer Rückkopplung entsteht.
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3. Auswuchtmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
außer dem Filter (2) zwischen die gesteuerten Gleichrichter (6, 7) und die Geberspannung
ein Verstärker (3) mit regelbarem Verstärkungsgrad geschaltet ist.