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CIRCUITS DEPHASEURS PERFECTIONNESo
La présente invention est relative aux circuits déphaseurs, et plus particulièrement aux circuits déphaseurs à impédances statiques;, utili- sant une combinaison de réactances fixes et variables, pour régler l'angle de phase entre la tension de sortie du circuit déphaseur et la tension qui l'ali- mente.
On emploie fréquement les circuits déphaseurs dans les installa - tions des tubes redresseurs et inverters, afin de varier la phase de la ten- sion, appliquée à leurs électrodes de commande, par rapport à la tension de leurs anodes et contrôler ainsi leur fonctionnement.
Différentes formes et dif- férents types de tels circuits à impédance ont été proposés ou employés dans le passé, mais tous avaient un ou plusieurs des défauts suivants : la varia- tion de phase entrainait la variation de la tension de sortie, des pertes électriques élevées avaient lieu en particulier si l'on employait une résis- tance ohmique dans l'un des bras de l'impédance : le degré maximum de dépha- sage était limité si l'on voulait éviter une complication du circuit; les circuits présentaient une complexité notable lorsque la variation de phase était obtenue uniquement au moyen de réactances variables.
Les circuits déphaseurs à impédance, objet de l'invention, donnent lieu à des pertes électriques sensiblement plus faibles que les circuits pro- posés ou utilisés précédemment, leur tension de sortie est à amplitude sen- siblement constante pour une gamme étendue de déphasages'et le réglage du déphasage est continu sur une portion substantielle de 360 et obtenu par variation appropriée d'une impédance.
Conformément à l'invention, de tels circuits déphaseurs comprennent un ou des groupes de deux réactances, chaque groupe étant composé d'une réac- tance inductive fixe et d'une autre variable, reliées en série et dérivé*aux bornes des différentes phases de la tension d'alimentation; on appellera "an- gle d'entrée" l'angle de déphasage entre ces différentes phases ; on prélève sur ce circuit la tension de sortie entre le point de jonction des réactances
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et.le point neutre ou -on autre point de ce circuit, pour alimenter un circuit de charge dont on doit déphaser la tension par rapport à la tension d'alimen- tation.
La valeur de la réactance fixe du circuit déphaseur, aussi bien que les caractéristiques de l'impédance de la charge, "dépendront de l'angle d'en- trée et de la tension de sortie.
Dans une variante de l'invention, une réactance inductive fixe est montée, dans un circuit déphaseur, en parallèle avec une réactance inductive variable, pour faciliter la résonance dans le circuit d'amorçage, connecté au circuit déphaseur. Par ailleurs, une série de dispositifs de filtrage est prévue dont chacun se compose au moins d'une réactance inductive et d'une au- tre capacité connectées à travers la tension de sortié du circuit déphaseur, pour améliorer la forme d'onde de cette tension. Les éléments de filtrage en question peuvent également servir à imprimer à la charge un facteur de puis- sance en avance, exigé pour le fonctionnement du circuit déphaseur.
Une im- pédance,non linéaire, est en outre prévue aux bornes de ce circuit, pour évi- ter l'élévation de la tension de ce dernier consécutive à l'augmentation de l'impédance de la charge. La prévision d'une telle impédance peut être utile pour éviter le double amorçage dans les tubes redresseurs et inverters, cette impédance pouvant servir en outre comme primaire du transformateur d'alimen- tation des électrodes d'entretien dont il est souvent avantageux de décaler les courants avec les potentiels d'amorçage.
L'invention sera d'ailleurs mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux dessins qui l'accompagnent à titre d'exemples non limitatifs de réalisation.
La figure 1 représente un circuit déphaseur, particulièrement uti- le aux redresseurs et inverters, puisque alimenté directement par un réseau triphasé avec un "angle d'entrée" de 120 . Le terme l'angle d'entrée" désigne, au cours de cette description, l'angle formé par deux vecteurs de tension du réseau d'alimentation, appliquée aux bornes d'une paire d'éléments donnée quelconque du circuit déphaseur. Il est bien entendu, toutefois, que dans la suite de cette description, des angles d'entrée différents peuvent être choi- sis, en tenant compte de la constance de l'impédance de la charge et de son facteur de puissance, pour atteindre, en fonction des conditions choisies, un maximum plus ou moins élevé de déphasage.
Un réseau d'alimentation à courant alternatif triphasé est indi- qué pour les conducteurs 1, 2 & 3 et, comme dans les réseaux triphasés habi- tuels, on dispose de trois tensions de même amplitude déphasées de 120 dans le temps. Le circuit déphaseur 4 comprend au moins deux éléments de réactance, aux pertes faibles ou, si possible et de préférence, nulles, disposés en série, un de ces éléments ayant une valeur de réactance fixe, la réactance de l'autre étant variable sensiblement de zéro à l'infini. Conformément à la terminologie établie et dans l'esprit de l'invention, le terme "réactance" comprend et l'in- ductance et la capacitance.
Dans ce qui suit, on se référera à la réactance capacitive comme étant de signe contraire à celui de la réactance inductive et, d'une façon analogue, au facteur de puissance en avance comme étant de signe contraire à celui en retard.
L'exemple de la figure 1 représente un circuit déphaseur 4 envi- sagé pour des récepteurs triphasés. Il se compose de trois réactances inducti- ves fixes 5, 6 & 7 alternées avec trois réactances inductives variables 8, 9 & 10, toutes reliées en série et formant une maille hexagonale 18,19,22,20,23.
Il est bien entendu toutefois qu'un autre circuit, par exemple en triangle pourrait être monté, ayant pour chaque côté une réactance fixe et une réac- tance variable reliées en série. Les réactances variables 8, 9 & 10 peuvent être de toute forme voulue, mais on a trouvé qu'en pratique, ce sont les réac- tances à noyaux saturables qui se prêtent le mieux au réglage de déphasage conforme à l'invention. L'élément 10, à réactance variable, comprend un enrou- lement 11 à courant alternatif connecté dans le circuit alternatif avec les réactances fixes 5, 6 & 7 et il est muni d'un enroulement 12 à courant con- tinu disposé sur le noyau 13 d'une façon appropriée pour effectuer, par la saturation par continu, la variation désirée de la réactance.
Une telle réac-
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tance 10, représentée à la Fige 1a, comporte un circuit magnétique 13 à qua- tre branches... Les deux parties de l'enroulement à courant alternatif 11 sont disposées 'en série sur deux branches médianes de telle façon que les flux y produits s'ajoutent. L'enroulement à courant continu 12 est également dispo- sé autour de ces deux branches médianes. Les réactances variables 8 & 9 sont identiques à la réactance 10 et sont munies, respectivement, d'enroulements à courant continu 14 & 15. Les enroulements à courant continu 12, 14 & 15 sont reliés en série avec une source convenable de courant continu, par exemple la batterie 6, et avec un moyen 17 de réglable du courant continu de saturation des noyaux des réactances variables 8, 9 & 10.
La forme particulière des moy- ens de réglage 17 ne fait pas partie de cette invention; s'il est désirable toutefois d'obtenir un déphasage rapide de la tension de sortie, il est avan- tageux d'avoir une commande provoquant une variation rapide du courant con- tinu et, de ce fait, de la réactance, Une forme de commande, qui a donné en pratique de,bons résultats, est celle qui emploie une génératrice de genre amplidyne faisant varier, sous l'impulsion d'une commande, l'intensité du courant continu dans une réactance saturable de déphasage.
Les bornes d'alimentation 18, 19 & 20 du circuit déphaseur 4 al- ternent, dans ce cas particulier, avec ses bornes de sortie 21, 22 & 23 et sont reliées respectivement aux conducteurs 1, 2 & 3 du réseau d'alimenta- @ tion pour obtenir un "angle d'entrée" de 120 .Le circuit de charge 24 est relié aux bornes de sortie 21 & 22 et concerne un circuit d'amorçage d'un ignitron. Ce circuit comporte un condensateur d'amorçage 25 alimenté, par l'intermédiaire d'une réactance linéaire 26, à partir des bornes de sortie du circuit déphaseur. Le condensateur d'amorçage 25, une fois chargé, se dé- charge à travers une réactance auto-transformateur 28 aux bornes duquel sont reliées les électrodes d'amorçage 29 & 30 de deux ignitrons dont les tensions d'anode sont décalées de 180 .
Les électrodes d'amorçage 29 & 30 sont reliées respectivement, par l'intermédiaire des redresseurs 31 & 32 aux' bornes extrê- mes du transformateur 28, tandis que le conducteur de retour 33 est connecté entre la borne commune des cathodes des ignitrons et la prise médiane du trans- formateur 28. Malgré la présence du condensateur d'amorçage 25, le circuit d'amorçage a un facteur de puissance en retard
Les deux autres circuits de charge 34 & 35, tout en devant être identiques au circuit décrit 24, sont schématiquement-représentés., le pre- mier comme relié aux bornes de sortie 21 & 23 du circuit déphaseur et compre- nant une inductance 36 et une résistance 37;
et le deuxième comme relié aux bornes de sortie 22 & 23 et comprenant une inductance 38 et une résistance 39.
La signification principale du choix, comme exemple de réalisa- tion des circuits d'amorçage pour les ignitrons, réside dans le fait que ces circuits ont un facteur de puissance en retard.
Conformément à l'invention, l'impédance de la charge doit être sen- siblement constante et l'angle de son facteur de puissance doit être moitié de "l'angle d'entrée!! et de signe contraire à celui de l'impédance du réseau déphaseur. Une autre caractéristique générale du circuit déphaseur réside dans le fait que la valeur de l'impédance Z de la réactance fixe doit être égale au produit du double sinus de l'angle du facteur de puissance de la charge par l'impédance Z de la charge. Dans le cas particulier décrit, avec un an- gle d'entrée de 120 et des éléments de réactance inductive dans le circuit déphaseur, il faut que l'angle du facteur de puissance de l'impédance de char- ge soit en avance de 60 , c'est-à-dire que le facteur de puissance soit de 50% en avance.
Puisque la charge particulière décrite a un facteur de puissance en retard, on branche en dérivation sur le circuit de charge 24, un condensa- teur 40 et, aux bornes des circuits de charge 34 & 35 respectivement, les condensateurs 41 & 42 de valeur telle que leurs circuits de charge soient ame- nés à un angle du facteur de puissance de 60 en avance. On conçoit, évidem- ment, qu'en fonction des caractéristiques de la charge, la valeur de capaci- tance de tous ces différents condensateurs peut varier et on peut même éviter l'emploi des condensateurs si l'impédance de la charge a un angle de facteur
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de puissance désiré.
Avec un angle d'entrée de 120 de l'exemple décrit et l'impédan- ce de charge Z ayant un angle de facteur de puissance de 60 en avance (moi- tié de l'angle d'entrée), la valeur en ohms des réactances fixes 5, 6 & 7 se- ra respectivement de 2 sin 60 Z = 2 #3/2 Z = Z # 3
Avec les conditions spécifiées pour un angle d'entrée de 120 , le circuit déphaseur a un déphasage maximum théorique de 2400,, en général, le double de l'angle d'entrée. La proximité d'approche de la valeur maximum de l'angle de déphasage dépend de la possibilité d'atteindre, pour la réactance saturable, ses conditions limites maximum et minimum de zéro à l'infini. Les dimensions et le prix de l'installation dépendent largement de l'angle dési- ré de déphasage et de la quantité de puissance consommée par le circuit com- mandé.
Pour une application donnée, un circuit qui produit seulement un dé- phasage maximum désiré avec une variation raisonnable des paramètres du cir- cuit, est plus économique qu'un circuit qui donne un déphasage plus grand.
Un grand avantage, par conséquent, d'un tel type de circuit est la facilité de son adaptation aux différentes conditions d'alimentation et au déphasage désiré.
La Fig. 2 montre un diagramme vectoriel des tensions du circuit déphaseur pour les conditions de fonctionnement diaprés le schéma de la figu- re 1, l'angle d'entrée étant de 120 et celui du déphasage de 30 , E1, E2, E3 représentent les tensions d'alimentation simples, c'est-à-dire par rapport à un point neutre, d'un montage en triangle ou en maille et le diagramme con- cerne une branche du circuit déphaseur pour une phase de la tension d'alimen- tation. Le facteur EL représente la tension de sortie désirée, égale à E1 et en retard par rapport à cette dernière de 30 . Il en résulte les tensions E7 et E respectivement aux bornes des réactances fixes= 7 et variable 9.
On déduit de ce diagramme que les courants I7 & I@, donnant lieu respectivement aux chutes de tension E & E dans les réactances 7 & 9, présumées sans résistance ohmique, sont en quadrature avec.ces chutes de tension.
Le courant résultant IR est déphasé en avant d'un angleµ = 60 par rapport à la tension de sortie EL, puisque le facteur de puissance de la charge est de 50% et en avance. Etant donné que les tensions dans toutes les parties du circuit peuvent être déterminées, les valeurs des réactances de déphasage nécessaires pour chaque valeur de déphasage peuvent être trou- vées soit d'après les diagrammes vectoriels correspondants, soit par le cal- cul.
A la Fig. 3, est représenté un diagramme vectoriel similaire, don- nant la solution pour un circuit déphaseur sous les mêmes conditions que cel- les exposées plus haut avec les vecteurs de tension et de courant indiqués d' une façon analogue, mais pour un déphasage de 90 de la tension de sortie EL par rapport à E-,, atteint avec une valeur accrue de la réactance. variable 9.
La gamme des déphasages s'étend théoriquement du zéro de retard, avec la ré- actance 9 réduite à zéro ou pleinement saturée, ce qui est le cas ici, à 2400 de retard, quand cette réactance a sa valeur maximum ou quand le courant con- tinu de saturation est réduit à zéro.
Les traits caractéristiques du circuit déphaseur, réalisé confor- mément à l'invention,résident dans le fait que, pour une tension d'entrée constante, la tension de sortie de ce circuit reste constante en amplitude pour n'importe quel angle de déphasage entre ses valeurs maximum et minimum, à condition que l'impédance Z de la charge soit sensiblement constante et d' un facteur de puissance en avance de 50%, et que la valeur de la réactance fi- xe du circuit soit égale à l'impédance Z de la charge multipliée par #3.
Comme on l'a souligné auparavant, toutes ces relations varient en fonction de l'angle d'entrée et l'on peut démontrer facilement, vectorielle- ment et mathématiquement, qu'avec un angle d'entrée de 90 , l'angle du facteur de puissance de sortie doit être de 45 (ou le facteur de puissance de 70%)
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et que la valeur de la réactance fixe du circuit déphaseur doit être égale à # 2 fois l'impédance Z de la charge pour obtenir une tension de sortie cons- tante et un déphasage théorique maximum égal au double de l'angle d'entrée, soit à 180 .
Avec un angle d'entrée de 60 , facile à obtenir, on peut prouver vectoriellement et mathématiquement que l'angle du facteur de puissance doit être de 30 (ou facteur de puissance de 86%) et la valeur de la réactance fi- xe du circuit déphaseur doit être égale à l'impédance Z de la charge, pour obtenir une tension de sortie constante avec un déphasage théorique maximum égal au double de l'angle d'entrée, c'est-à-dire à 120 .
On conçoit facilement que l'invention peut être réalisée avec des réactances fixes et variables capacitives et, dans ce cas,le facteur de puis- sance de la charge exigé doit être de signe opposé, c'est-à-dire en retard.
La figure 4 de l'invention représente une variante de l'invention utilisant le même principe pour la constitution d'un circuit déphaseur stati- que monophasé à impédance 43 pour l'alimentation du circuit d'amorçage 44 d' une paire d'ignitrons 45 & 46. Le circuit 43 comprend une réactance inducti- ve fixe 47 et une réactance inductive 48. La réactance variable 48, de pré- férence saturable, comprend un enroulement à courant alternatif 49 et un enroulement à courant continu 50 disposés sur un noyau magnétique 51 d'une façon convenable, se prêtant à un réglage désiré de la réactance par satura- tion à courant continu.
L'enroulement à courant continu 50 est alimenté par une source convenable de courant continu dans l'exemple représenté par une batterie 52,et muni de moyens, par exemple d'une résistance variable 53, pour le réglage du courant continu de saturation.
Le circuit 43 a deux bornes d'entrée 54 & 55, reliées aux bornes du secondaire 56 d'un transformateur 57. Ce dernier représente ici un trans- formateur triphasé comprenant un enroulement primaire 58 avec ses bornes 59 & 60 et sa borne neutre 61 reliées respectivement aux conducteurs 62, 63 & 64 d'une ligne d'alimentation triphasée. "L'angle d'entrée" des tensions aux bornes 61-59 et 61-60 est donc 60 . L'enroulement secondaire 56 comporte une borne neutre 65. Les portions de l'enroulement 56 sont disposées de telle façon des deux cotés du point neutre 65, aue les tensions entre les bornes 65-54 et 65-55, forment un angle de 120 , représentant l'angle d'entrée du circuit déphaseur 43.
La tension de sortie du circuit 43,.indiquée par ES sur le dessin est prélevée entre le point de jonction 66 des réactances 47 & 48 et le point neutre 65 du secondaire 56.
Le circuit d'amorçage 44 représente une portion de la charge re- liée à la tension de sortie ES du circuit 43, illustrée ici par un exemple typique et connu du circuit d'amorçage d'un ignitron comprenant un condensateur d'amorçage 67 chargé par la tension de sortie ES d'une réactance linéaire 68. Le condensateur en question, pleinement charge, se décharge à travers une réactance auto-saturable ou d'amorçage 69 dans l'enroulement primaire 70 du transformateur 71. Les électrodes d'amorçage respectives 72 & 73 des ig- nitrons 45 & 46, ayant.leurs potentiels d'anodes déphasés de 180 , sont ali-. mentées par les secondaires 74 & 75 du transformateur 71.
Les électrodes d'amorçage 72 & 73 sont alimentées respectivement par les secondaires 74 & 75 par l'intermédiaire des redresseurs 76 & 77.
La réactance saturable 48 peut ne pas avoir une caractéristique de réactance linéaire et, de ce fait, le bon fonctionnement du circuit d'amor- gage 44 peut être compromis par la déformation de la tension ES. Pour éviter cette déformation, plusieurs circuits filtres 78 (78a, 78b, 78c, etc...) sont disposés en dérivation par rapport à la tension E et accordés à la résonance avec les harmoniques (3e, 5e, 7e, etc....) de cette dernière.
Il y a lieu de noter que, malgré la présence du condensateur d'a- morgage 67, le circuit d'amorgage 44 a un facteur de puissance en retard. Tou-
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tefois conformément à ce qui a été dit précédemment, il est nécessaire, pour le bon fonctionnement du circuit déphaseur 43, que l'impédance de la charge qu'il alimente ait l'angle de son facteur de puissance de signe, contraire ou, dans le cas particulier de l'exemple donné ici, un angle en avance et égal à la moitié de l'angle d'entrée. Dans le cas représenté ici, l'angle d'entrée du circuit 43 étant égal à 120 , nécessite une impédance de charge avec un angle de 60 de son facteur de puissance, qui est égal alors à 50%.
Conformé- ment à l'invention, les circuits de filtrage 78 sont employés pour donner un tel facteur de puissance en avance et pour améliorer la caractéristique de la tension ES.
Chaque circuit de filtrage 78 comprend une réactance inductive et une réactance capacitive. Le circuit 78a, par exemple, comprend une réactance 79 et un condensateur 80, désignés respectivement par L et C , dont la combinaison est accordée à l'harmonique trois de la tension de sortie E . Les circuits de filtrage 78b et 78c comprennent des éléments analogues et sont ac- cordés respectivement aux harmoniques cinq et sept. Il est clair qu'il faut limiter le nombre de circuits de filtrage au nombre nécessaire. Dans certains cas, on n'a besoin d'aucun filtrage; tandis que dans d'autre cas, on en a be- soin d'un ou de plusieurs. Il a été trouvé que, dans le cas de l'exemple ici donné, les circuits de filtrage accordés aux harmoniques trois et cinq, don- nent de bons résultats dans l'élimination de la distorsion de la tension de sortie ES.
Dans certains cas, la tension élevée fournie par le circuit dé- phaseur peut faire provoquer par le circuit d'amorçage des ignitrons 45 & 46 pendant chaque période. Dans un cas particulier d'un double amorçage, on a trouvéque la tension ES est montée de 380 à 570 volts. Une telle élévation de tension peut être évitée grâce à l'emploi d'une réactance inductive non linéaire 81 reliée à la tension ES. Cette réactance s'oppose à l'élévation de la tension E et diminue le risque du fonctionnement du circuit 44 dans le sens de double amorçage.
La réactance 81 peut servir également comme enroule- ment primaire d'un transformateur 82, muni d'un secondaire 83 pouvant être employé par exemple à l'alimentation des anodes d'entretien (non montrées) des ignitrons 45 & 46. Les courants de telles anodes d'entretien sont de pré- férence déplacés en phase avec le circuit d'allumage-lorsque ce dernier est déplacé sur un angle de 120 ou plus.
Afin de mettre en résonance le circuit d'amorçage 44 et provoquer l'amorçage des ignitrons 45 & 46, il est parfois nécessaire d'amener la réac- tance variable 48 à un certain degré de saturation au moyen d'un courant con- venable de saturation dans l'enroulement 50 de cette réactance. Ge courant est fourni par la source 52 et réglé par un dispositif de contrôle 53. Bien que, par mesure de simplicité,le dispositif 53 soit représenté ici par une ré- sistance variable, n'importe quel équivalent connu peut être employé, par exemple une génératrice amplidyne, un amplificateur électronique ou magnéti- que.
Si l'action d'un tel dispositif n'est pas extrêmement rapide, le courant débité par les ignitrons 45 & 46, après l'amorçage, peut atteindre un niveau anormal et causer ainsi des interruptions des circuits ou autres effets indé- sirables. En augmentant le courant continu de saturation dans l'enroulement 50, on avance l'angle d'amorçage des électrodes 72 & 73 et on augmente ainsi la tension de sortie redressée des ignitrons 45 & 46.
La résonance du circuit d'amorçage 44 et l'amorçage des électro- des 72 & 73 peuvent avoir lieu avec un courant de saturation nul dans l'en- roulement 50 de la réactance 48, si l'on dispose en parallèle à cette réac- tance une réactance inductive fixe 83 convenable.
En d'autres termes, la réactance résultante des bobines de réac- tance 48 & 83 aux bornes 54 & 66, quand la réactance 48 n'est pas saturée, est essentiellement celle de la résistance 83, et l'effet de la réactance varia- ble 48 peut être pratiquement négligé dans l'action d'amorçage des électro- des 72 & 73. Toutefois, si la réactance 48 est partiellement saturée, la ré- actance résultante aux bornes 54 & 66 est sensiblement affectée par les deux réactances 48 & 83 et, par conséquent, la réactance 48 :peut être employ-
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ée sur -une échelle d'opération plus large que dans le cas où la réactance 83 n'est pas branchée à ses bornes.
On va décrire maintenant l'application d'un circuit déphaseur ana- logue à une charge polyphasée, représentée à la fig. 5 et dans laquelle, pour simplifier la description, on a désigné par les mêmes numéros de référence les éléments analogues à ceux de la figure précédente. Un circuit déphaseur à im- pédance triphasé ayant trois branches analogues 43 montées en triangle, com- prend dans chaque branche, une réactance inductive fixe 47 et une réactance inductive variable 48, reliées en série. Chaque circuit 43 comprend les bor- nes d'arrivée 54 & 55 et le montage en triangle est effectué par jonction de la borne 54 d'un circuit à la borne 55 de l'autre pour former une maille fer- mée et symétrique.
Les points de jonction 54-55 sont reliées aux conducteurs 62, 63 & 64 d'un réseau d'alimentation triphasé. L'"angle d'entrée" est ici évidemment de 1200.
Bien qu'il soit possible d'envisager un point neutre à l'alimenta- tion et à la sortie du circuit déphaseur, on a représenté ici une réalisation sans point neutre. Les bornes de sortie du circuit déphaseur sont constituées ici par trois points de jonction 66 entre les réactances fixes 47 et variables 48.
Des réactances inductives fixes 33 sont connectées en parallèle aux réactances variables 48. Grâce à l'emploi des réactances 83, on obtient plus facilement la résonance dans le circuit d'amorçage 44.
Bien qu'on n'ait représenté et décrit que quelques exemples de réalisation de cette invention, il est évident qu'on ne désire pas se li- miter à ces derniers,donnés à titre d'exemple et sans aucun caractère res- tritif et que, par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.