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Perfectionnements à la régulation automatique du facteur de puissance.
La présente invention concerne la régulation automatique du facteur de puissance par l'introduction de capacité électrique dans le circuit à régler. Jusqu'ici dans un tel procédé de régula- tion, lorsqu'un changement survient dans la nature ou la grandeur de la charge faisant varier le facteur de puissance, on avait 1 'habi- tude de faire varier d'une façon correspondante la capacité existant dans le circuit, et cela manuellement ou automatiquement. Si la ré- gulation est manuelle, la présence continuelle d'un opérateur est nécessaire, et, à moins que l'opérateur n'y mette toute son attention, la variation de capacité qui doit suivre celle du facteur de puis- sance d'assez près pour maintenir la régulation dans des limites rai- sonnables, peut se trouver en défaut.
Pour éviter cela, on a étudié
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un mécanisme automatique comprenant un relais sensible à la varia- tion du facteur de puissance et servant à commander un moteur ré- versible dont la fonction est de mettre en ou hors circuit un ou plusieurs d'une série de condensateurs pour assurer la régulation désirée du facteur de puissance.
Dans les deux procédés ci-dessus la régulation dépend de la mise en ou hors circuit de condensateurs, de sorte que l'opéra- tion s'effectue en un certain nombre d'étapes discontinues, avec le résultat que fréquemment la variation de la capacité dans l'un ou l'autre sens dépasse la correction requise, et qu'entre autres défauts un effet de chassé-croisé se produit. La présente inven- tion a comme but principal d'éviter cet effet de chassé-croisé et d'autres inconvénients et de réaliser la régulation du facteur de puissance a'une manière plus souple et plus économique qu'aupara- vant.
Suivant cette invention, la régulation du facteur de puissance d'un circuit à courant alternatif se fait en appliquant à une capacité fixe associée à ce circuit une tension qui varie avec la déviation du facteur de puissance d'une certaine valeur à laquelle il est désirable qu'elle soit maintenue, cette variation de tension étant réalisée par un régulateur à induction ou un autre dispositif équivalent de façon continue au lieu de se faire par étapes.
Ainsi, la correction du facteur de puissance est continue, crest-à-dire qu'elle n'a pas lieu par étapes discontinues.
Pour réaliser l'invention, on peut employer un mécanisme directement sensible à la variation du facteur de puissance ou des K.V.A. réactifs qui sert à commander le régulateur de tension in- ductif par lequel la tension appliquée à un condensateur fixe insé- ré dans le circuit à régler est variée. Comme autre solution, le mécanisme employé peut être sensible à une valeur, par exemple, @
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voltage, courant, puissance (KW), dont l'amplitude dépend elle- même du facteur de puissance. La meilleure valeur servant à exer- cer cette commande sera choisie en fonction des conditions parti- culières.
Le mécanisme directement ou indirectement sensible à la variation du facteur de puissance peut commander le régulateur in- ductif lui-même ou par l'intermédiaire d'un moteur r,éversible, d' un amplificateur de couple, ou un autre dispositif à relais.
La variation de tension, quelle qu'en soit la cause, pro- duit dans le courant capacitif dans le circuit un changement cor- respondant par lequel la composante déwattée du courant de charge est neutralisée, soit entièrement, si on désire ramener le facteur de puissance à l'unité, soit en partie, si on désire un facteur de puissance inférieur à l'unité avec un courant déphasé en arrière.
L'appareil peut évidemment être construit et réglé de façon que le courant capacitif dépasse la composante déwattée du courant de charge, donnant un facteur de puissance inférieur à l'unité mais avec un courant déphasé en avance.
Il est évident que, bien que la capacité de régulation employée dans la présente invention soit désignée ci-dessus comme un condensateur fixe, elle peut être réglable de telle sorte que, en faisant un réglage initial, plusieurs valeurs de cette capacité peuvent être employées dans diverses conditions. La caractéristique essentielle, cependant, de l'invention, qui la distingue des propo- sitions antérieures réside dans le fait que, une fois que la capa- cité a été réglée initialement à une valeur fixe quelconque, la ré- gulation automatique se fait avec souplesse en appliquant une ten- sion continuellement variable à cette capacité plutôt que par varia- tion discontinue de la capacité en changeant le nombre de condensa- teurs en circuit.
Pour bien faire comprendre le sens et la portée de l'in- vention, celle-ci sera décrite en détail ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels les différentes figures repré- @
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sentent schématiquement et à titre d'exemple seulement quelques formes d'exécution différentes de l'invention.
Dans la figure 1, le circuit à courant alternatif dans lequel le facteur de puissance doit être réglé est représenté par deux lignes 1, entre lesquelles un condensateur 2 est connecté en association avec un régulateur inductif ou un appareil semblable, représenté schématiquement par un rectangle 3 dessiné en traits interrompus. Comme il est dit plus haut, le condensateur 2 peut- être réglable pour être adapté aux conditions autres que le fac- teur de puissance, existant dans le circuit. Mais au point de vue de la régulation automatique faisant l'objet de la-présente invention, il n'est pas fait usage de cette possibilité, la valeur du condensateur restant fixe, une fois ajustée. Le régulateur à induction représenté à titre d'exemple comprend un enroulement 4 sur un noyau 5 en matière magnétique et relié directement au ré- seau par les connexions 6.
Près du stator 5 se trouve un rotor 7 en matière magnétique avec un enroulement 8, qui,, en série avec le condensateur 2, est mis en parallèle sur les connexions 6 et donc sur le réseau 1. Si le rotor 7 se trouve dans une position neutre par rapport au stator 5, c'est-à-dire perpendiculairement à la position représentée à la figure 1, aucune tension ne sera créée dans l'en:roulement 8; si, au contraire, le rotor 7 est amené à dé- vier de sa position neutre, une tension sera induite dans l'enrou- lement 8 et, suivant le sens de mouvement du rotor, cette tension sera ajoutée ou soustraite à la tension du réseau et la tension aux bornes du condensateur 2 sera changée d'autant.
Il s'ensuit une variation correspondante de courant capacitif, par laquelle la composante déwattée du courant de charge est neutralisée soit entièrement, soit pàrtiellement, suivant que l'on désire un fac- teur de puissance égal ou inférieur à l'unité. La régulation du facteur de puissance est donc réalisée par la déviation du rotor 7 de sa position neutre, dans l'un ou l'autre sens suivant que la @
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composante déwattée à neutraliser est déphasée en arrière ou en avant.
Dans l'exemple de la figure 1 cette régulation automa- tique est effectuée par un mécanisme sensible aux KVA réactifs, c'est-à-dire, directement sensible à la variation du facteur de puissance. Cet appareillage fonctionne suivant le principe bien connu du wattmètre. Il comprend ici un enroulement de tension 9 relié par les connexions 10 au réseau et un enroulement de courant 11 relié par les connexions 12 au secondaire 13 d'un transforma- teur de courant dont le primaire est parcouru par le courant de charge.
Les enroulements 9 et 11 agissent simultanément sur une pièce mobile 14, laquelle tourne, dans un sens ou dans l'autre sui- vant que le courant dans l'enroulement 11 est déphasé en arrière ou en avant sur la tension aux bornes de l'enroulement 9, en supposant que l'on exige le maintien par régulation du facteur de puissance à l'unité. Si l'on exige un facteur de puissance inférieur à l'uni- té, la pièce 14 sera dans sa position neutre quand la bonne diffé- rence de phase existera entre le courant dans l'enroulement 11 et la tension aux bornes de l'enroulement 9.
La déviation de la pièce 14 de sa position neutre sert à commander un moteur réversible 15 alimenté par une source séparée 16 ou par le réseau-1. Une des bornes 17 du moteur 15 est reliée directement à un des fils du réseau 16 comme indiqué, alors que 1' autre fil du réseau 16 va par une connexion 18 à la pièce mobile 14.
Celle-ci comprend un commutateur 19 qui peut contacter alternative- ment les bornes 20 et 21 qui sont reliées respectivement aux balais 22 et 23 du moteur 15. Ce moteur sert à entraîner le rotor 7 dans l'un ou l'autre sens. Il est relié dans ce but à l'axe 24 du rotor 7 par un moyen tel qu'une vis sans fin 25. Donc, lorsque le fac- teur de puissance dévie de la valeur requise, le contact 19 porte sur l'un des contacts 20 et 21, par quoi le rotor 7 est dévié de sa position neutre et la tension appliquée au condensateur 2 est @
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changée suffisamment pour neutraliser la corposante déwattée du courant de charge dans le sens demandé.
Dans l'appareillage représenté sur la figure 2 ,le ré- gulateur à induction est du type à bobine mobile, comprenant deux enroulements 26 et 27 mis sur un circuit magnétique fermé 28, les enroulements étant en série et leur ensemble en parallèle sur le condensateur 2. Les fils 6 venant du réseau 1 sont, comme indiqué, reliés au point de rencontre du condensateur 2 avec l'enroulement 26 et à une prise intermédiaire sur cet enroulement, cette disposi- tion étant prise pour qu'une tension supérieure ou inférieure à celle du réseau 1 puisse être appliquée au condensateur 2. Sur le circuit magnétique 28 se trouve une bobine de court-circuit 29 mo- bile le;long du circuit de sorte que sa position par rapport aux enroulements 26 et 27 puisse être changée.
Ce mouvement de la bo- bine de court-circuit 29 vers l'un des enroulements 26 ou 27 a pour effet de réduire graduellement l'impédance effective de cet enrou- lement et de faire varier ainsi la tension aux bornes des enroule- ments 26 et 27 comme un tout, c'est-à-dire, aux bornes du conden- sateur 2.
Dans ce cas, le régulateur à induction 3 est commandé par un mécanisme semblable à un wattmètre compteur mais sensible aux KVA réactifs. Ce mécanisme comprend un enroulement de tension 9 et un enroulement de courant 11 analogues à ceux utilisés dans le mécanisme de commande représenté sur la figure 1, et un disque 30 pouvant tourner dans l'un ou l'autre sens en fonction d'un glis- sement de phase prédéterminé entre la tension appliquée à l'enrou- lement 9 et le courant parcourant l'enroulement 11. La rotation du disque 30 dans l'un ou l'autre sens peut être utilisée directe- ment pour déplacer la bobine de court-circuit 29 par rapport aux bobinages 26 et 27 dans le but de corriger le facteur de puissance de la quantité requise.
En général cependant, le couple appliqué au disque 30 sera insuffisant et il est nécessaire d'intercaler @
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un amplificateur de couple 31 pour disposer d'une puissance méca- nique suffisante pour agir sur la,bobine 29. Comme indiqué, l'am- plificateur de couple 31 est pourvu d'un axe 32 sur lequel le cou- ple amplifié est développé et un bloc 33, qui supporte la bobine 29, est Vissé sur la partie fileté de l'axe. Ce bloc se déplace dans un sens ou dans l'autre suivant le sens de rotation de l'axe 32, c'est-à-dire, du disque 30. L'amplificateur de couple 31 peut être d'un type quelconque, et comme ces mécanismes sont bien con- nus et que leur construction ne fait pas partie de l'invention, il est inutile de le décrire plus en détail.
La figure 3 représente une combinaison appropriée au cas où la variation de facteur de puissance change la tension. Un ré- gulateur inductif 3 et un moteur réversible 15 exactement du type indiqué à la figure 1 sont prévus. Cependant, le moteur 15 est commandé par un dispositif sensible à la variation de la tension du réseau 1. Ce dispositif comprend un bobinage 34 sur un noyau magnétique 35 connecté au réseau 1. Associée au noyau 35, une ar- mature 36 tenue écartée par un ressort 37 est disposée de telle façon que lorsque la tension aux bornes du bobinage 34 correspond à la valeur requise du facteur de puissance, une pièce de contact 38 portée par l'armature 36 se trouve dans sa position neutre.
Si le facteur de puissance varie et n'a plus sa valeur normale, la tension augmente ou diminue, et le contact 38 est amené à venir poser sur le contact 39 ou le contact 40; par conséquent, d'une façon analogue à celle décrite pour la figure 1, le moteur 15 tour- ne dans l'un ou l'autre.sens, ce qui donne une telle variation à la tension appliquée au condensateur 2 que le facteur de puissance est corrigé.
La figure 4 représente un appareillage très semblable à celui de la figure 3, mais le dispositif de commande est sensible à des variations de courant résultant de la déviation du facteur n
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de puissance de sa valeur normale. Dans ce but un bobinage 41, connecté à l'enroulement secondaire d'un transformateur dont le primaire est parcouru par le courant de charge, est enroulé sur un noyau magnétique 43 pourvu d'une armature 44 qui travaille d' une façon analogue à l'armature 36 de l'appareillage décrit à la figure 3. Le reste de l'appareillage étant exactement sembla- ble à celui représenté sur la figure 3, le mode de fonctionnement sera clair sans autre description.
Il est évident que les formes de régulateur à induction et de mécanisme de commande décrites ci-dessus et représentées dans les dessins sont simplement citées à titre d'exemple, et que l'invention comprend l'emploi de n'importe quelle forme de régula-' teur à induction ou de dispositif équivalent qui fonctionnera de manière continue par opposition à la variation de tension discon- tinue, et n'importe quel mécanisme de commande capable de répondre soit directement à une variation de facteur de puissance, ou à une valeur quelconque, dont la grandeur dépend du facteur de puissance,
Il est également évident que dans certains cas, en parti- culier par exemple dans les circuits à haute tension, il ne serait pas indiqué de connecter le régulateur à induction et ou le méca- nisme de commande directement au circuit sujet à régulation du facteur de puissance.
Dans de tels cas, on emploiera des transfor- mateurs comme moyens de liaison entre le réseau et les parties de l'appareillage mentionnées ci-dessus.
REVENDICATIONS.
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Improvements to the automatic regulation of the power factor.
The present invention relates to the automatic regulation of the power factor by the introduction of electrical capacitance into the circuit to be regulated. Heretofore in such a control method, when a change occurs in the nature or magnitude of the load varying the power factor, it has been customary to correspondingly vary the capacitance. existing in the circuit, and this manually or automatically. If the regulation is manual, the continual presence of an operator is necessary, and, unless the operator pays full attention to it, the variation in capacitance which must follow that of the power factor of close enough to keep regulation within reasonable limits, may fail.
To avoid this, we studied
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an automatic mechanism comprising a relay sensitive to the variation of the power factor and used to control a reversible motor whose function is to switch on or off one or more of a series of capacitors to ensure the desired regulation of the power factor.
In the above two methods the regulation depends on the switching on or off of capacitors, so that the operation is carried out in a number of discontinuous steps, with the result that frequently the variation of the capacitance in either direction exceeds the required correction, and among other defects a crossover effect occurs. The main object of the present invention is to avoid this crossover effect and other drawbacks and to achieve the regulation of the power factor in a more flexible and economical manner than before.
According to this invention, the regulation of the power factor of an AC circuit is effected by applying to a fixed capacitance associated with this circuit a voltage which varies with the deviation of the power factor from a certain value to which it is desirable. whether it is maintained, this voltage variation being carried out by an induction regulator or another equivalent device continuously instead of being carried out in stages.
Thus, the correction of the power factor is continuous, ie it does not take place in discontinuous steps.
To carry out the invention, one can employ a mechanism directly sensitive to the variation of the power factor or the K.V.A. reagents which is used to control the inductive voltage regulator by which the voltage applied to a fixed capacitor inserted in the circuit to be regulated is varied. As an alternative, the mechanism employed can be sensitive to a value, for example, @
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voltage, current, power (KW), the amplitude of which itself depends on the power factor. The best value used to exercise this command will be chosen according to the particular conditions.
The mechanism which is directly or indirectly responsive to the variation of the power factor can control the inductive regulator itself or through a reversible motor, a torque amplifier, or other relay device.
The variation in voltage, whatever the cause, produces in the capacitive current in the circuit a corresponding change by which the dewatted component of the load current is neutralized, or entirely, if one wishes to reduce the factor of unit power, or in part, if a power factor less than unity is desired with a back-out-of-phase current.
The apparatus can of course be constructed and adjusted so that the capacitive current exceeds the wattage component of the load current, giving a power factor less than unity but with a current out of phase in advance.
Obviously, although the regulating capacitance employed in the present invention is referred to above as a fixed capacitor, it can be adjustable so that, by making an initial adjustment, several values of this capacitance can be employed in one. various conditions. The essential feature, however, of the invention, which distinguishes it from previous proposals is that, once the capacity has been initially set to any fixed value, automatic regulation takes place with flexibility by applying a continually varying voltage to this capacitance rather than discontinuously varying the capacitance by changing the number of capacitors in circuit.
In order to make the meaning and scope of the invention clearly understood, it will be described in detail hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which the various figures shown.
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schematically and by way of example only a few different embodiments of the invention.
In figure 1, the AC circuit in which the power factor is to be adjusted is represented by two lines 1, between which a capacitor 2 is connected in association with an inductive regulator or similar device, shown schematically by a rectangle 3 drawn in broken lines. As stated above, capacitor 2 can be adjustable to be adapted to conditions other than the power factor existing in the circuit. But from the point of view of the automatic regulation which is the subject of the present invention, this possibility is not used, the value of the capacitor remaining fixed, once adjusted. The induction regulator shown by way of example comprises a winding 4 on a core 5 of magnetic material and connected directly to the network by the connections 6.
Near the stator 5 is a rotor 7 made of magnetic material with a winding 8, which, in series with the capacitor 2, is placed in parallel on the connections 6 and therefore on the network 1. If the rotor 7 is in a neutral position relative to the stator 5, that is to say perpendicular to the position shown in FIG. 1, no tension will be created in the en: bearing 8; if, on the contrary, the rotor 7 is caused to deviate from its neutral position, a tension will be induced in the winding 8 and, depending on the direction of movement of the rotor, this tension will be added or subtracted from the tension of the rotor. network and the voltage across capacitor 2 will be changed accordingly.
A corresponding variation in capacitive current follows, by which the dewatted component of the load current is neutralized either entirely or partially, depending on whether a power factor equal to or less than unity is desired. The regulation of the power factor is therefore carried out by the deviation of the rotor 7 from its neutral position, in one or the other direction depending on whether the @
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deviated component to be neutralized is out of phase backward or forward.
In the example of FIG. 1, this automatic regulation is effected by a mechanism sensitive to reactive KVA, that is to say, directly sensitive to the variation of the power factor. This apparatus works according to the well-known principle of the wattmeter. It comprises here a voltage winding 9 connected by the connections 10 to the network and a current winding 11 connected by the connections 12 to the secondary 13 of a current transformer whose primary is traversed by the load current.
Windings 9 and 11 act simultaneously on a moving part 14, which rotates in one direction or the other depending on whether the current in the winding 11 is out of phase back or forth with the voltage across the terminals. winding 9, assuming that one requires the maintenance by regulation of the power factor to unity. If a power factor less than unity is required, part 14 will be in its neutral position when the correct phase difference exists between the current in winding 11 and the voltage across the terminals. winding 9.
The deviation of the part 14 from its neutral position is used to control a reversible motor 15 supplied by a separate source 16 or by the network-1. One of the terminals 17 of the motor 15 is connected directly to one of the wires of the network 16 as shown, while the other wire of the network 16 goes through a connection 18 to the moving part 14.
This comprises a switch 19 which can alternately contact the terminals 20 and 21 which are respectively connected to the brushes 22 and 23 of the motor 15. This motor serves to drive the rotor 7 in one or the other direction. It is connected for this purpose to the axis 24 of the rotor 7 by a means such as an endless screw 25. Therefore, when the power factor deviates from the required value, the contact 19 bears on one of the contacts 20 and 21, whereby the rotor 7 is deflected from its neutral position and the voltage applied to the capacitor 2 is @
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changed enough to neutralize the wattage component of the load current in the requested direction.
In the apparatus shown in FIG. 2, the induction regulator is of the moving coil type, comprising two windings 26 and 27 placed on a closed magnetic circuit 28, the windings being in series and their assembly in parallel on the capacitor. 2. The wires 6 coming from the network 1 are, as indicated, connected to the point of meeting of the capacitor 2 with the winding 26 and to an intermediate tap on this winding, this arrangement being taken so that a higher or lower voltage. to that of network 1 can be applied to the capacitor 2. On the magnetic circuit 28 there is a short-circuit coil 29 movable along the circuit so that its position with respect to the windings 26 and 27 can be changed.
This movement of the short-circuit coil 29 towards one of the windings 26 or 27 has the effect of gradually reducing the effective impedance of this winding and thus of varying the voltage at the terminals of the windings 26. and 27 as a whole, that is, across capacitor 2.
In this case, the induction regulator 3 is controlled by a mechanism similar to a counter wattmeter but sensitive to reactive KVA. This mechanism comprises a voltage winding 9 and a current winding 11 similar to those used in the control mechanism shown in figure 1, and a disc 30 which can rotate in either direction according to a slip. - predetermined phase shift between the voltage applied to the winding 9 and the current flowing through the winding 11. The rotation of the disc 30 in either direction can be used directly to move the coil. short circuit 29 to coils 26 and 27 for the purpose of correcting the power factor by the required amount.
In general, however, the torque applied to the disc 30 will be insufficient and it is necessary to insert @
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a torque amplifier 31 to have sufficient mechanical power to act on the coil 29. As indicated, the torque amplifier 31 is provided with an axis 32 on which the amplified torque is developed and a block 33, which supports the spool 29, is screwed onto the threaded part of the axle. This block moves in one direction or the other along the direction of rotation of the axis 32, that is to say, of the disc 30. The torque amplifier 31 can be of any type, and as these mechanisms are well known and their construction does not form part of the invention, it is unnecessary to describe it in more detail.
Fig. 3 shows a suitable combination in case the variation in power factor changes the voltage. An inductive regulator 3 and a reversible motor 15 of exactly the type shown in Figure 1 are provided. However, the motor 15 is controlled by a device sensitive to the variation in the voltage of the network 1. This device comprises a coil 34 on a magnetic core 35 connected to the network 1. Associated with the core 35, an arm 36 held apart by a spring 37 is arranged such that when the voltage at the terminals of the coil 34 corresponds to the required value of the power factor, a contact piece 38 carried by the armature 36 is in its neutral position.
If the power factor varies and no longer has its normal value, the voltage increases or decreases, and the contact 38 is caused to come to rest on the contact 39 or the contact 40; therefore, analogously to that described for Figure 1, motor 15 rotates in either direction, resulting in such a variation in the voltage applied to capacitor 2 that the factor of power is corrected.
Figure 4 shows an apparatus very similar to that of Figure 3, but the control device is sensitive to current variations resulting from the deviation of the factor n
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power from its normal value. For this purpose a winding 41, connected to the secondary winding of a transformer whose primary is traversed by the load current, is wound on a magnetic core 43 provided with an armature 44 which works in a manner analogous to the The frame 36 of the apparatus depicted in Figure 3. The remainder of the apparatus being exactly similar to that shown in Figure 3, the mode of operation will be clear without further description.
It is evident that the forms of induction regulator and control mechanism described above and shown in the drawings are merely cited by way of example, and that the invention includes the use of any form of regulator. - an induction motor or equivalent device which will operate continuously as opposed to the continuous variation of voltage, and any control mechanism capable of responding either directly to a variation in power factor, or to a value arbitrary, the magnitude of which depends on the power factor,
It is also evident that in some cases, particularly for example in high voltage circuits, it would not be appropriate to connect the induction regulator and / or the control mechanism directly to the circuit subject to factor regulation. power.
In such cases, transformers will be used as the means of connection between the network and the parts of the apparatus mentioned above.
CLAIMS.
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