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PROTECTION DES ENROULEMENTS DES MACHINES D'INDUCTION
La présente invention se rapporte aux moyens de protection des enrou- lements haute tension des machines d'induction oontre les ondes de choc dues à des phénomènes transitoires. Bien que cette invention ne soit pas limitée à cette application, elle oonvient particulièrement aux machines d'induction ayant un enroulement ou une partie d'enroulement raccordé à un circuit de puissance.
Quand un phénomène transitoire à haute tension et à haute fréquence ou une onde à front raide causé par un coup de foudre direct ou indirect, une surtension d'enclenchement ou de déclenchement ou des oscillations de mise à la terre par arc, arrive aux bornes d'un enroulement, un ou plusieurs des trois
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types de sollicitation peuvent apparaître dans l'enroulement.
Le premier type, un gradient de tension élevé, peut être créé dans une spire ou dans un élément du bobinage, spécialement près de la borne d'entrée, qui pèse particulièrement sur l'isolant de la première spire et de la bobine; le second, un potentiel élevé par rapport à la terre peut se produire en un point de l'enroulement qui agit particulièrement sur l'isolant entre le bobinage et les parties de la machine mises à la terre et le troisième type, des oscillations cumulatives, peut aussi prendre naissance dans l'enroulement par résonnance et provoquer un gradient élevé ou des tensions élevées ou les deux à la fois.
Pour protéger les enroulements contre un claquage dû à ces phénomènes transitoires, différents dispositifs d'écrans électrostatiques ont été créés pour ajuster la capacité de l'enroulement par rapport au réseau et établir, dans toutes les conditions, une distribution uniforme de la tension le long de l'enroulement.
Certains types d'enroulements, comme les enroulements série des trans- formateurs ou des autotransformateurs, ne se prêtent pas facilement à l'appli- @ cation de dispositifs à écrans électrostatiques. En général, ces enroulements ou sections d'enroulements sont munis de prises pour modifier la tension et si l'on peut obtenir une distribution favorable de la tension au moyen d'écrans électrostatiques pour une prise déterminée, il est pratiquement impossible d'ajuster le dispositif à chaque changement de prise.
Si un écran électrostati- que est placé sur une telle section munie de prises et que l'on déplace l'ajus- teur de tension de la position pour laquelle l'écran a été prévu sur une position éloignée, une surtension survenant alors se répartira dans l'enroulement avec un gradient qui, en général, sera beaucoup plus élevé avec l'écran que sans lui.
Pour cette raison et d'autres encore, il est de pratique courante de placer un appareil, tel qu'un parafoudre, en shunt aux bornes de l'enroulement ou de la section d'enroulement pour créer un by-pass à l'onde de choc. Bien que ces systèmes procurent une certaine protection en limitant la tension totale qui peut exister dans l'enroulement, la sollicitation imposée à la spire initiale et à la bobine n'est pas modifiée dans la plupart des cas et elle est la cause habituelle, sinon la plus fréquente, des avaries à l'enroulement.
A part le désir de distribuer la tension le long de tout l'enroulement pour faciliter le problème de l'isolement, une raison plus importante d'agir
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ainsi est de réduire fortement la sollicitation imposée au contacteur de l'ajus- teur de tension. En éliminant les gradients de tension excessifs le long des sections de l'enroulement munies de prises, on élimine automatiquement les ten- atone anormalement élevées entre les prises et aussi entre les pièces de l'ajus- teur de tension. Avec les dispositifs décrits ci-dessous, il est possible de construire des régulateurs à un seul noyau alors que précédemment ils devaient être à deux noyaux et par conséquent de prix plus élevés.
L'objet général de la présente invention est donc de fournir un dis- positif nouveau et perfeotionné de protection des enroulements des machines d'induction contre les effets des ondes électriques dues à des phénomènes tran- sitoires.
Un objet plus particulier est de fournir un système nouveau et perfec- tionné de protection des enroulements des machines d'induction qui réduit le gradient de la distribution initiale d'une onde de choc sur l'enroulement et qui, de plus, limite les oscillations dans l'enroulement consécutives au choc de l'onde à des amplitudes relativements faibles.
Un autre objet est de réaliser un dispositif nouveau et perfectionné de protection des enroulements à prises multiples pour l'ajustage de la tension tel que la protection donnée à l'enroulement ne soit pas modifiée par les chan- gements de prise.
On comprendra mieux le principe de l'invention et sa réalisation ainsi que les avantages qu'elle procure en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent donnés simplement à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'un transformateur sans écran; la figure 2 reproduit un groupe de courbes représentant la distribution de la tension tran- sitoire le long de l'enroulement haute tension de ce transformateur; la figure 3 est un schéma d'un transformateur muni d'un dispositif de protection bien connu; les courbes de la figure 4 représentent la distribution d'une tension transitoire le long d'un enroulement ainsi protégé; la figure 5 est un schéma d'un dispositif de protection d'un transformateur basé sur une forme de la présente invention;
les figures 6, 7 et 8 donnent les courbes de distribution de la tension transi- toire le long d'un enroulement haute tension protégé de cette manière; la figure 9
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est un schéma d'un autotransformateur muni d'un dispositif de protection basé sur une seconde forme de la présente invention ; lesfigures 10 et 11 reproduisent les courbes de distribution d'une tension transitoire le long d'un enroulement ainsi protégé ; figure 12 est un schéma montrant l'application de la présente invention à une seconde forme bien connue d'autotransformateur;
la figure 13 est un schéma d'un transformateur à enroulements multiples dont un enroulement à prises muni d'un dispositif de protection basé sur l'invention et la figure 14 est la courbe de distribution d'une tension transitoire le long de l'enroulement à prises ainsi équipé.
Pour faciliter les explications, on a représenté sur la figure 1 un transformateur qui peut être un transformateur survolteur dont le secondaire 10 est relié à un circuit de puissance par les conducteurs 12 et 13 et le primaire 11 peut être relié à un transformateur de régulation de tension (non représenté).
Si une onde de choc 14 à front raide frappe l'enroulement en venant du conducteur 12, la sollicitation qui en résulte est initialement distribuée le long de l'en- roulement suivant la courbe 15 de la figure 2 grâce aux caractéristiques électro- statiques et électromagnétiques de l'enroulement. On remarquera que pratiquement toute la tension est concentrée sur un nombre relativement limité de spires voisines de la borne d'entrée avec un gradient élevé comme le montre la pente raide de la courbe 15. Quelque temps plus tard, par exemple une période corres- pondant à ¸ cycle de l'harmonique fondamentalle des oscillations, la distribution du potentiel dans l'enroulement prendra la forme de la courbe 16 qui, en certains endroits s'élève beaucoup plus haut que la tension de la borne d'entrée.
L'état stationnaire est représenté par la ligne droite 17 dont l'inclinaison est déter- minée par l'inductance relative de l'enroulement et la tension à laquelle le conducteur 13 est élevé par rapport à la terre qui dépend de son impédance en période transitoire. Si l'onde de choc frappait l'enroulement par le conducteur 13 les sollicitations seraient distribuées le long de l'enroulement à peu près de la même manière sauf à l'extrémité de l'enroulement du coté de la borne d'entrée à laquelle le conducteur 13 aboutit. Comme pratiquement toute la tension apparait dans l'enroulement 10, une tension d'impulsion sera induite dans l'enroulement primaire qui peut non seulement provoquer un claquage de cet enroulement mais encore endommager d'autres appareils qui lui sont connectés.
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En vue de réduire la différence de potentiel apparaissant dans l'enrou- lement 10 et par conséquent la tension induite dans l'enroulement, un shunt approprié 18 a été connecté aux bornes de l'enroulement pour servir de by-pass à l'onde de choc, comme le montre la figure 3. Un moyen communément employé dans ce but est un type bien connu de parafoudre constitué par une série de disques d'une matière ayant une forte caractéristique de résistance inversement propor- tionnelle à la tension appliquée. Sous le choc de l'onde de tension arrivant par le conducteur 12, la résistance du by-pass diminue fortement sans retard ou presque et de ce fait la tension du second conducteur 13 est élevée immédiatement à celle du conducteur 12, compte tenu de la chute de tension qui se produit dans la résistance du by-pass.
L'état initial de distribution de tension le long de l'enroulement muni d'un tel by-pass est représenté par la courbe 21 de la figure 4. Bien que la tension résultante qui apparaît dans l'enroulement puisse être à 20% de la valeur de celle de l'onde et que l'on préserve ainsi effecti- vement l'enroulement 11 contre les tensions induites excessives, il ressort clairement de la courbe 21 que la sollicitation sur la bobine et les spires de l'enroulement 10 est peu affectée par la présence de ce système de shunt. Si la queue de l'onde a une longueur suffisante, le milieu de l'enroulement peut atteindre, à cause des oscillations, une tension par rapport à la terre qui peut dépasser le double de celle de l'onde, comme le montre la courbe 22 de la figure 4.
L'état stationnaire est représenté par la courbe 25.
Par application d'écrans électrostatiques 19 connectés aux bornes de l'enroulement, on peut considérablement modifier la répartition initiale de la tension le long de l'enroulement, comme le montre la courbe 23 de la figure 4.
La sollicitation des spires est réduite, à une valeur raisonnable, bien inférieure au niveau de l'isolement normal. Des oscillations peuvent cependant encore prendre naissance dans l'enroulement et elles peuvent élever la tension au milieu de l'enroulement par rapport à la terre à des valeurs excessives considérablement plus élevées que celle de l'onde, comme le montre la courbe 24. De plus, comme on le verra plus loin, le système de protection de la figure 3 ne peut pas être appliqué pratiquement aux enroulements à prises multiples.
La présente invention fournit un dispositif shunt aux enroulements des circuits de puissance qui est connecté de manière à réduire non seulement la
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différence de tension totale dans l'enroulement mais encore le gradient de potentiel entre spires et, de plus, de limiter l'amplitude des oscillations qui se développent après le choc de l'onde due à des phénomènes transitoires. Comme le montre la figure 5, le shunt 26 comprend. de nombreux disques 27 dont la résistance est nettement inversément proportionnelle à la tension appliquée, comme celle de l'appareil 18 de la figure 3. Les bornes de l'appareil sont reliées aux bornes de l'enroulement 10 tandis que des points intermédiaires de la résistance sont connectés à des points correspondants uniformément espacés de l'enroulement 10.
Les connexions aux points intermédiaires de l'appareil peuvent être faites au moyen de plaques de métal 28 disposées entre les disques 27 et formant contact avec ceux-ci.
Les caractéristiques de résistance de l'appareil 26 sont telles que sous la tension nominale, l'appareil n'est pas conducteur, o'est-à-dire que la résistance est si élevée que la perte en watts dans l'appareil est négligeable.
Sous l'effet d'une onde de tension transitoire arrivant aux bornes, la résistance de l'appareil 26 diminue immédiatement, réalisant effectivement un circuit shunt de faible impédance qui limite la chute de tension le long de l'enroulement à une valeur relativement faible. Cette chute de tension est représentée par la ligne droite 29 de la figure 6 dont l'inclinaison est déterminée par l'impédance instantannée de l'appareil 26. Dans l'arrangement représenté par la figure 5, quatre points intermédiaires de l'enroulement 10 sont reliés à quatre points intermédiaires correspondants de la résistance 26 de manière que la tension de ces différents points de l'enroulement soit fixée de manière certaine par la tension des points correspondants de la résistance.
La distribution initiale de la tension transitoire le long des spires de l'enroulement est représentée par la courbe 30 de laquelle il ressort que le gradient du potentiel le long des spires de l'enroulement, mesuré par la raideur de n'importe quelle partie de la courbe, est nettement réduit par rapport à celui de la courbe 15 de la figure 2. Comme la tension des points intermédiaires de l'enroulement est bien déterminée et est comprise entre les valeurs de la tension aux extrémités de l'enroulement, l'amplitude maximum des oscillations qui peuvent prendre naissance en un point quelconque de l'enroulement est limitée à un faible pourcentage au dessus de la valeur de crête de l'onde, comme l'indique la courbe caracté-
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ristique 31.
Le gradient de potentiel par tour et la tension maximum par rapport à la terre d'une partie quelconque de l'enroulement peuvent être limités à une valeur choisie en reliant un plus grand nombre de points intermédiaires de l'enroulement à des points intermédiaires correspondants de la résistance.
Sur la figure 7, on a tracé les courbes caractéristiques d'un montage dans lequel neuf points intermédiaires de l'enroulement sont reliés à neuf points intermédiaires correspondants de la résistance. L'inclinaison maximum de la courbe 32 représentant la distribution de la tension est approximativement la moitié de celle de la courbe correspondante de la figure 6, tandis que l'amplitude des oscillations représentées par la courbe 33 est réduite à moins de la moitié de celle des oscillations du montage caractérisé par les courbes de la figure 6.
La figure 8 montre les courbes caractéristiques d'un enroule- ment ayant 14 points intermédiaires reliés à la résistance de protection et elle montre clairement comment le gradient de potentiel par spire, représenté par la courbe 34,peut être réduit à une valeur pratiquement uniforme le long de l'enroulement tout entier tandis que les oscillations dues à la résonnance et représentées par la courbe 35 peuvent être pratiquement éliminées.
La présente invention est particulièrement utile pour la protection de l'enroulement série des autotransformateurs. Ceux-ci sont fréquemment utilisés pour relier deux circuits de tensions différentes qu'il n'est pas nécessaire d'isoler complètement l'un de l'autre. Un pareil transformateur, représenté par la figure 9, comprend une section d'enroulement 41 qui est commune à la ligne à haute tension 42 et à la ligne à basse tension 43 et une autre section 44 en série avec les lignes 42 et 43. La section 44 est munie de nombreuses prises reliés aux contacts fixes 45 d'un ajusteur de tension 46 auquel la ligne 43 aboutit. La tension des sections d'enroulement commune et série peut être modifiée pour controler le débit d'énergie entre les lignes.
Supposons d'abord que la section 44 au complet soit en série et qu'une onde 48 à front raide frappe le transformateur par la ligne 42. S'il n'y a aucun moyen de protection, pratiquement toute la tension transitoire apparaîtra dans la section de l'en- roulement série 44 parce que la liaison de la ligne 43 agit momentanément comme une terre court-circuitant effectivement la section commune de l'enrou-
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lement 41. La distribution initiale de la tension le long de la section de l'enroulement série 44 est représentée par la courbe 51 de la figure 10 comprise entre les connexions H et L des lignes à haute et basse tensions. L'enveloppe des oscillations de résonnance qui prennent naissance dans la section d'enrou- lement sérié, à la suite du choc initial, est représentée par la courbe 52.
Comme la chute de tension totale se produit dans la section de l'enroulement série, une tension d'impulsion sera induite dans la section commune de l'enrou- lement 41 qui produira des oscillations qui sont représentées par la courbe 53 s'étendant entre la connexion de la ligne à basse tension L et la terre G. Dans le cas où une onde frappe le transformateur par la ligne 43, la ligne 42 agira momentanément comme une terre et la sollicitation sera distribuée dans les sec- tions d'enroulement 41 et 44 comme si elles etaient connectées en parallèle.
Les parties adjacentes des deux sections d'enroulement 41 et 44 seront solli- citées par la tension initiale distribuée suivant la courbe 54 de la figure 11 et des oscillations indépendantes prendront naissance dans les deux sections d'enroulement; elles sont représentées par les courbes 55. Il, est évident que ces courbes des figures 10 et 11 seront caractéristiques pour toutes les connexi- ons de l'ajusteur de tension 46, la position de L par rapport à H et G des courbes etant simplement déplacée en conséquence.
En appliquant le dispositif de protection de la présente invention à l'enroulement série des autotransformateurs, les sollicitations sévères repré- sentées par les courbes 51 à 55 des figures 10 et 11 peuvent être modifiées.
Comme le montre la figure 9, la section d'enroulement série 44 est shuntée par la résistance 56 qui est constituée par des éléments semblables à ceux utilisés dans l'appareil 26 de la figure 5. L'appareil 56 est connecté entre les bornes de la section d'enroulement 44 et entre des points intermé- diaires. Dans le cas d'une section d'enroulement ayant des prises reliées à un ajusteur de tension, comme le montre le schéma, la question de la connexion de la résistance à des points intermédiaires de l'enroulement est grandement simplifiée puisque les conducteurs des prises peuvent être connectés àux deux appareils.
S'il y a quatre prises intermédiaires reliées à des contacts oorres- pondants de l'ajusteur de tension et que les éléments intermédiaires de la résistance sont connectés seulement à ces prises, la surtension sera alors
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distribuée le long de la section d'enroulement série comme le montrent les courbes de la figure 6. Cependant, si on lé désire, le nombre de connexions entre la résistance et l'enroulement peut être porté à 9 en plaçant une prise additionnelle entre chaque prise de l'ajusteur et en reliant toutes les prises à des points correspondants intermédiaires de la résistance.
Une telle dispo- sition des connexions est représentée par la figure 9 et elle donne une distri- bution de tension le long de la section de l'enroulement série représentée par les courbes caractéristiques 32 et 33 de la figure 7 ou 58 et 59 de la figure 10.
Il est clair que l'on peut disposer n'importe quel nombre de connexions entre la section de l'enroulement série et la résistance pour obtenir la distribution de tension désirée.
Il faut comprendre que la résistance 56 n'agit pas pour réduire le gradient de potentiel qui peut exister dans la section commune de l'enroulement à cause d'une différence de tension entre les lignes 43 et la terre pendant l'état transitoire. Pour distribuer convenablement la sollicitation sur cette section d'enroulement, un écran électrostatique classique 61 peut être installé et connecté à la jonction des sections d'enroulement commune et en série. La courbe 62, illustre la distribution de la sollicitation sur cette section d'enroulement affectée par l'écran 61. Comme il y a une tension induite relati- vement basse dans la section commune de l'enroulement, les oscillations sont limitées à une valeur bien en dessous du niveau de l'isolement, comme l'indique la courbe enveloppe 63.
Avec toutes les sections d'enroulement 44 mises en circuit entre les lignes 42 et 43 et sous le choc d'une onde venant de la ligne 43, les sollici- tations seront réparties sur les sections commune et en série de l'enroulement par le dispositif de protection de la figure 9 suivant les courbes 64 et 65 de la figure 11 tandis que les oscillations dues à la résonnance seront limitées à des valeurs relativement basses comme le montrent les courbes 66 et 67.
Avec la chute de tension dans la section d'enroulement série réduite à une fraction de la tension transitoire appliquée et répartie uniformément entre les prises, il n'y aura qu'une différence de tension relativement faible entre les contacts voisins de l'ajusteur de tension pour des crans normaux de tension. Donc l'ajusteur de tension ne doit pas être prévu pour des tensions
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dépassant beaucoup la tension normale et pour cette raison, l'enroulement de régulation peut être à simple noyau au lieu du modèle à deux noyaux comme il etait nécessaire antérieurement pour maintenir la contrainte sur le mécanisme de l'ajusteur de tension dans des limites raisonnables.
Sur la figure 9, l'ajusteur de tension est représenté dans la position limite pour laquelle toute la section 44 de l'enroulement est en série avec les lignes 42 et 43. Si on déplace le commutateur sur n'importe quel autre contact de prise, la longueur de l'enroulement en série sera diminuée et la chute de tension qui pourra s'y produire sera réduite en proportion de telle sorte que la distribution de tension le long de l'enroulement sera à peu près la même que lorsque le commutateur est dans la position indiquée.
Si on place le commutateur dans la position extrême opposée pour laquelle la section 44 de l'enroulement est entièrement retirée du circuit série et mise dans le circuit de la section 41, alors la tension transitoire, par rapport à la terre, le long de tout l'enroule- ment sera distribuée dans les sections respectives proportionnellement à l'impé- dance instantannée de l'appareil 56 par rapport à celle de la section d'enrou- lement 41. Donc, tandis que la majeure partie de la tension peut être appliquée sur la section d'enroulement 41, cette section est protégée de manière efficace par l'écran 61 contre les sollicitations excessives.
On voit tout de suite que la disposition de l'autotransformateur de la figure 9 peut être simple ou en deux parties reliées comme il est dessiné.
Dans le cas où on utilise des transformateurs séparés pour remplir le rôle d'un autotransformateur conneoté entre des lignes de tension différente, l'enroulement du transformateur série est généralement muni d'une prise médiane comme le montre la figure 12. Sur cette figure, le transformateur série 71 est connecté entre la ligne à haute tension 72 et la ligne à basse tension 73 tandis que le trans- formateur commun est connecté entre la ligne à basse tension et la terre ou le neutre. L'enroulement 71 du transformateur série est divisé en deux parties munies chacune de prises reliées à l'extérieur aux contacts fixes de l'ajusteur de tension 75. Les résistances 76 et 77, du type décrit précédemment, sont connectées en parallèle avec les deux parties de l'enroulement 71.
Les sections extrêmes correspondantes des résistances sont connectées entre les conducteurs de l'ajusteur de tension tandis que les autres sections sont reliées par d'autres conducteurs à des points convenablement espacés des parties correspondantes de l'enroulement. Comme il a été décrit précédemment, l'enroulement du trans- @
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formateur commun peut être efficacement protégé par un écran électrostatique classique 78. La distribution des surtensions le long de ces transformateurs se fera suivant les mêmes caractéristiques que celles représentées par les courbes des figures 10 et 11.
La présente invention n'est pas limitée à son application aux trans- formateurs série ou aux autotransformateurs mais elle est aussi applicable à d'autres transformateurs et particulièrement à ceux pourvus de sections d'en- roulement à prises, comme le type spécial de transformateur de régulation repré- senté par la figure 13. le transformateur ici représenté est du type à 3 enrou- lements, un enroulement basse tension 81, un enroulement haute tension 82 et un enroulement intermédiaire 83 à tension relativement élevée. Les sections à prises 83' et 83" de l'enroulement 83 sont disposées au dessus de l'enroulement 83 et adjacentes aux extrémités opposées de l'enroulement haute tension 82 pour qu'il ne soit pas nécessaire de sortir les connexions des prises du dessous de l'enroulement 82 pour les amener aux contacts fixes de l'ajusteur de tension 84.
Tandis que l'enroulement haute tension 82 et la partie principale de l'en- roulement 83 peuvent être relativement facilement pourvus d'écrans électrosta- tiques 86 et 87, il est évident qu'il serait très difficile sinon impraticable d'essayer de placer des écrans électrostatiques pour les parties d'enroulement séparées 83' et 83". Evidemment, comme ces parties d'enroulement sont le plus rapprochées de la ligne 88 et de ce fait sont sujettes aux plus grandes solli- citations sous le choc d'une onde venant de cette ligne 88, il faut trouver le moyen de les protéger.
En concordance aveo la modification ultérieure de cette invention, les groupes de résistances 91 et 92 semblables à ceux décrits antérieurement sont connectés aux bornes des sections d'enroulement 83' et 83" et les parties intermédiaires sont reliées aux points intermédiaires correspon- dants des sections respectives de l'enroulement. Comme il est indiqué, ces connexions intermédiaires peuvent être facilement faites grâce aux connexions des prises de l'ajusteur de tension. Sur la figure 14, la courbe 93 représente la distribution initiale de la tension le long de l'enroulement 83 pour une onde de tension transitoire venant de la ligne 88.
La partie supérieure 93' de cette courbe représente la distribution de la tension le long des parties d'enroulement 83' et 83" influencées par les résistances 91 et 92 et le restant
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de la courbe représente la distribution de la tension sur la section principale de l'enroulement 83 modifiée par l'écran électrostatique 87. La disposition représentée offre une solution simple au problème de la protection adéquates des enroulements d'un type particulier qui seraient très difficiles sinon impossibles à protéger par les moyens classiques.
Bien que l'on ait décrit le principe de l'invention et quelques réalisations types, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données à titre d'exemples et sans aucun caractère restrictif.