湘潭大学运动控制系统试题库DOC.docx

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湘潭大学运动控制系统试题库DOC

一、复习：

直流调速系统

问题1-2：

衡量调速系统的性能指标是哪些？

①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin

②静差率S=△nnom/n0*100%

对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。

③和负载匹配情况：

一般要求：

恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。

问题1-3：

请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势.

*直流电机调速系统

优点：

调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。

缺点：

有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。

*交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）

优点：

异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。

大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。

缺点：

调速性能比直流电机差。

*发展趋势：

用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.

问题1-4：

直流电机有哪几种？

直流电机调速方法有哪些?

请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较.哪些是有级调速？

哪些是无级调速？

直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。

根据直流电机的转速公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调速。

调压调速：

调节电压供电电压进行调速，适应于：

U≤Unom，基频以下，在一定范围内无级平滑调速。

弱磁调速：

无级，适用于Φ≤Φnom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上（即电动机额定转速以上）作小范围的升速。

变电阻调速：

有级调速。

变转差率调速：

无级调速。

问题1-5：

带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，

则调节器的输出为（A）

A、零；B、大于零的定值

C、小于零的定值；D、保持原先的值不变

问题1-6：

什么是调速范围D？

什么是静差率S，两者的关系如何？

用什么方法可以使调速系统满足D大S小的控制要求？

①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin

②静差率S=△nnom/n0*100%

对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。

问题1-7：

直流调速系统用的可控直流电源有：

旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整流器（V-M系统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。

名词解释1-8：

G-M系统V-M系统PWMPFM

①G-M系统：

交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流及改变其输出电压，从而调节M的转速。

优点：

在允许转矩范围内四象限运行。

缺点：

设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，维护不方便。

②V-M系统：

晶闸管，工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器V给需要调速直流电动机M供电，调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流器V的输出电压，从而调节直流电动机M的转速。

优点：

经济性和可靠性提高，无需另加功率放大装置。

快速性好，动态性能提高。

缺点：

只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的du/dt和di/dt十分敏感；低速时易产生电力公害：

系统功率因数低，谐波电流大。

③PWM：

脉冲宽度调制（PWM），晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。

PWM调速系统优点：

系统低速运行平稳，调速范围较宽；电动机损耗和发热较小；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；器件工作早开关状态，主电路损耗小，装置效率较高。

PWM调速系统应用：

中、小功率系统

④PFM脉冲频率调制（PFM），晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率f或开关周期T（即调节晶闸管的关断时间t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。

问题1-9：

哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？

①稳态性能指标是：

调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=△nnom/n0*100%

②稳定性指标：

柏德图（对数幅频特性和对数幅频特性）

典型Ⅰ型系：

对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。

γ=90-tg-1ωcT>45

典型Ⅱ型系统：

对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线。

γ=180-180+tg-1ωc-tg-1ωcT=tg-1ωc-tg-1ωcT

③动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标：

跟随性能指标上升时间：

在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%--90%）

超调量：

在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移量

与稳态值之比。

调节时间：

又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全

稳定下来的时间。

一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，

取±5%（或±2%）的范围作为允许误差。

抗扰性能指标：

动态降落：

在系统稳定时，突加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中引起

的输出量最大降落值。

恢复时间：

从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差

进入某基准量的±5%（或±2%）范围之内所需的时间。

问题1-10：

转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是、和。

①饱和非线性控制

ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统；

ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.

②准时间最优控制：

恒流升速可使起动过程尽可能最快.

③转速超调：

只有转速超调才能使ASR退饱和.

问题1-11：

转速、电流双闭环调速系统中，

转速环按典型Ⅱ型系统设计，抗扰能力强，稳态无静差。

电流环按典型Ⅰ型系统设计，抗扰能力稍差，超调小。

问题1-12：

无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是（D）

A、消除稳态误差；B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应

C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应

问题1-15：

位置随动系统解决的主要问题是什么？

试比较位置随动系统与调速系统的异同。

①位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪。

随动系统一般称伺服系统

②位置随动系统与调速系统的相同点：

两者的控制原理相同，它们都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量与给定量进行比较，组成闭环控制。

③位置随动系统与调速系统的相异点：

调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出能够稳定，因此系统的抗扰性能显得十分重要。

位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。

位置随动系统在结构上往往比调速系统复杂一些。

位置随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。

问题1-16：

什么是串联校正、并联校正和复合控制？

试举例说明它们的使用场合。

①串联校正（调节器校正），采用PID校正的单位置环随动系统，可以得到较高的截止频率和对给定信号的快速响应，结构简单。

由于不使用测速机，从而排除了测速机带来的干扰，但反过来又使摩察、间隙等非线性因素不能很好地受到抑制。

负载扰动也必须通过位置环进行调节，没有快速的电流环及时补偿而使动态误差增大。

同时PID调节器是采用比例微分超前作用来对消调节对象中的大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度，还会因控对象参数变化而丧失零极点对消的效果。

因此单位置环的随动系统仅适用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的场合。

②并联校正

在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正，在随动系统中经常采用这种并联校正，有助于抑制振荡、减小超调，提高系统的快速性。

在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好，因为它不需增大K1就可以保证原有的稳态精度，而快速性同样可以得到一定程度的提高，只受到小时间常数及测速发电机信号中噪声干扰的限制。

③复合控制

当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算时，利用输入信号的各阶导数进行前馈控制构成前馈控制（开环控制）和反馈控制（闭环控制）相结合的复合控制，也是一种提高系统稳态和动态品质指标的有效途径。

二、回顾：

交流调速系统

问题2-5：

常用的异步电动机调速有哪些？

哪些属于转差功率消耗型？

哪些属于转差功率不变型？

哪些属于转差功率回馈型？

①异步电动机调速方法有：

降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等。

②降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速属于转差功率消耗型

③串级调速属于转差功率回馈型

④变极调速、变频调速属于转差功率不变型。

问题2-6：

变极调速方法对笼型与绕线式电动机是否都适用，为什么?

变极调速只适合于本身具备改变极对数的笼型电动机（双速电动机、三速和四速电动机），它们可以通过改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成调速，绕线式电动机一般采用转子传电阻或串级调速。

问题2-8：

请简述交流异步电动机变极调速的工作原理，并说明其特点和应用场合。

变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。

改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（双速电动机、三速和四速电动机）这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。

缺点：

有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。

特点：

具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

变极调速适合于：

按2～4档固定调速变化的场合，（不需要无级调速的生产机械），如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

问题2-9：

晶闸管交流调压调速系统中，对触发脉冲有何要求，为什么？

晶闸管交流调压调速系统中，要求用宽脉冲、双窄脉冲或脉冲列触发，以保证可靠换流，防止直通。

晶闸管是半控器件，只需要用脉冲触发其导通，不需要控制其关断。

问题2-10：

请简述交流异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进行说明。

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。

调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源。

目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。

晶闸管调压方式为最佳。

调压调速的特点：

调压调速线路简单，易实现自动控制。

调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。

调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

①通过改变自耦变压器变比，来改变电机电压，从而进行调速。

②通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，改变交流电抗值，改变电机电压，实现降压调速。

饱和，交流电抗小，电机定子电压高。

③通过控制晶闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。

问题2-15：

请简述晶闸管调压调速的工作原理，并说明其优缺点。

画出几种晶闸管主电路的连接方法，指出他们各自的特点。

在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过控制晶闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。

优点：

维护方便，噪声小，可以四象限运行。

缺点：

电网输入电压为正弦波，但输出电压不为正弦波，谐波大，功率因素低，机械特性软。

解决办法：

采用闭环系统。

①三相分支双向控制绕组Y连接：

特点：

用双脉冲或者宽60°脉冲触发晶闸管SCR，

输出含有奇次谐波，绕组Y连接。

如电机绕组带中线，可消取三次谐波电流，

但仍然存在其他次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。

与其它接法相比，此接法谐波分量最小。

②三相分支双向控制绕组△连接：

特点：

用双脉冲或者宽60°脉冲触发SCR，

输出含有奇次谐波，绕组△连接。

有其它的高次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。

③三相分支单向控制绕组Y连接：

特点：

每一相制用一个用晶闸管和一个二极管反并联，

可以降低成本，但各相波形不对称，输出含有偶次谐波，

降低了运行性能，所以只用于小容量装置。

④三相△形双向控制绕组△连接

特点：

晶闸管串接在相绕组回路中，

在同等容量下，晶闸管承受的电压高而电流小，

适合于电机绕组△连接的情况。

⑤三相零点△连接，单向控制

特点：

电路简单，晶闸管放在负载后面，

可以减小电网浪涌电压对它的冲击，但因为是单向控制

奇次、偶次谐波都存在，运行效率稍低。

只适合于小容量电机。

问题2-17：

请简述绕线式异步电动机转子串电阻调速的工作原理，并说明其优缺点。

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，串入的电阻越大，电动机的转速越低。

此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。

属有级调速，机械特性较软。

三、交流异步电动机变频调速的理论基础

问题3-3：

交流异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控制方法，磁通、转矩、功率呈现怎样的变化规率？

并请用图形表示。

恒磁通调速（基频以下）U1/f1=常数，并补偿定子电阻损耗。

恒功率调速（基频以上）升高电源电压时不允许的，

在频率上调时，只能保持电压不变。

频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁增速。

问题3-5：

交流异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制、恒功率控制和

恒电流控制三种，其中恒磁通控制又称恒转矩控制。

问题3-6：

如果在交流异步电动机变频调速系统采用恒转矩控制时，出现励磁电流急剧增加的现象

（实际上时由于电压补偿过多），导致系统不能正常工作，应采取的解决办法有：

适当增加定子电压U1和在开环系统上加电流负反馈，以便限制定子励磁电流，（实际上，变为恒转矩负载加恒电流控制）。

问题3-11：

什么是变转差率调速?

在转差率s很小的范围内，只要能够维持气隙磁通φm不变异步电机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比，即在异步电机中，控制转差率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。

问题3-19：

交流异步电动机变频调速控制策略的研究（电气传动自动化）2003，25（5）P22~25

①常规控制策略：

恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制

②现有控制策略：

转子参数推算法、自适应控制、鲁棒控制

非线性控制（非线性反馈控制、逆控制）

智能控制（神经网络于内模复合控制、模糊于模型参考自适应复合控制、模糊于变结构复合控制、滑模/模糊/神经网络的复合控制）

③热门课题及关键技术

非线性自适应控制

智能控制器算法的实用化、双优控制、在线诊断和容错控制）

四、交流异步电动机矢量变换控制

问题4-1：

在实际系统中，怎样保证E2/f1=K？

E2转子磁链在每相定子中的感应电动势，（忽略转子电阻损耗）

转子磁链恒值，机械特性线性，稳态性能和动态性能好，最难实现。

是矢量控制追求的目标.

问题4-2：

什么是矢量控制系统VCS或TCS矢量变换控制系统？

请画出矢量控制系统的构思框图，

并简述其工作原理。

将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，就能够控制异步电动机。

由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换的控制系统就叫做矢量控制系统VCS（VectorControlSystem）矢量变换控制系统TCS（Trans-vectorControlSystem）。

问题4-3：

三相异步电动机的数学模型包括：

电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。

问题4-4：

将三相交流电机变换成两极直流电机的物理模型要经过的坐标变换有哪些？

先将静止的三相坐标A-B-C转换成静止的两相坐标α-β，再将静止的两相坐标α-β换成旋转的两相坐标d-q或极坐标（M-T）。

问题4-5：

三相异步电动机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，

问题4-7：

坐标变换有哪些？

坐标变换原则有哪两种？

它们各用于什么场合？

坐标变换有：

①静止的三相坐标（A-B-C）→旋转的两相坐标（d-q-0），P246

cosλsinλ

C3S/2R=cos（λ-120℃）sin（λ-120℃）

Cos（λ+120℃）sin（λ+120℃）

②旋转的两相坐标（d-q）→静止的三相坐标（A-B-C），C2R/3S=C3S/2R-1

③静止的三相坐标（A-B-C）→静止的两相坐标（α-β-0），零轴电流

1-

-

C3S/2s=0

-

KKK

④静止的两相坐标（α-β-0）→静止的三相坐标（A-B-C），C2s/3S=C3S/2s-1

⑤静止的两相坐标（α-β）→旋转的两相坐标（d-q），

C2s/2R=cosλsinλ

-sinλcosλ

⑥旋转的两相坐标（d-q）→静止的两相坐标（α-β）C2s/2R=C2R/2s-1

⑦直角坐标与极坐标I=

θ=artg（

）或I=

θ=artg（

）

因为θ在0～90℃变化时，tgθ的变化范围是0～∝，这个变化范围太大，常改用下式求θ值：

θ=2artg（

）

坐标变换原则有功率不变原则和空间矢量不变原则两种。

功率不变原则是保持坐标变换前后的电动机功率不变，在电力拖动系统中应用较多。

空间矢量不变原则是保持坐标变换前后的电流、电压、电动势等空间矢量的相位、幅值不变。

问题4-8：

磁链直接检测的方法有哪些？

各有何缺点？

磁链直接检测的方法有检测线圈法和磁通传感器法

①检测线圈法是在定子中安放宽度等于全极距的检测线圈，可产生正比于磁通变化的信号，通过积分求得主磁通的测量值。

这种方法由于积分有漂移，硬件上不易实现，故应用不多。

②磁通传感器法是异步电动机的气隙中设置两个磁链传感器，它们分别装在与α相绕组磁轴重合和垂直的位置，用来分别检测气隙磁链在静止坐标系中的两个分量φαm和φβm。

由于这种检测方法必须在电机内置检测器，使用不方便，且检测的气隙磁链含有大量谐波，容易造成系统不稳定。

问题4-9：

请写出在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型。

在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型有电流模型观测器和电压模型观测器：

①电流模型观测器：

当电机转速小于额定转速的10％，定子绕组压降不可忽略，异步电动机在静止坐标系（－）中的电压方程为：

us（Rs+Lsp0Lmp0is

us=0Rs+Lsp0Lmpis

0LmpLmRr+LrpLrir

0-LmLmp-LrRr+Lrpir

可得：

0＝p（Lmis＋Lrir）＋（Lmis＋Lrir）＋Rrir

0＝p（Lmis＋Lrir）－（Lmis＋Lrir）＋Rrir

转子磁链可表示为：

r＝Lmis＋Lrirr=Lmis＋Lrir

由上述3式解出ir、ir并化简得：

r＝

（Lmis－Trr），r=

（Lmis＋Trr）

式中：

Tr—转子绕组的电磁时间常数，us—定子绕阻电压，us—定子绕阻电压，is—定子绕阻电流，

is—定子绕阻电流，r—与转子绕阻匝链的磁链，r—与转子绕阻匝链的磁链。

②电压模型观测器：

当电机转速在额定转速的10％以上，忽略定子绕组压降，定子回路的电压平衡方程式为：

us=ps=Lspis+Lmpir转子磁链可以用电感和电流表示，r=Lmis+Lrir

其中：

p—微分算子us—定子电压，is—定子电流，s—定子磁链，r—转子磁链，Rs—定子绕阻电阻，Rr—转子绕阻电阻，Ls—定子绕阻全电感，Lr—转子绕阻全电感，Lm定、转子绕阻之间的互感。

从上述两式中消去ir，得：

r=

[us-

]dt，令：

Ks＝

，Kr=

，

r在静止坐标系中的分量为：

r=Ks

[us-Kr

]dt，r=Ks

[us-Kr

]dt。

问题4-12：

磁链定向方法有哪些？

采用M-T坐标系是按什么磁链定向？

磁链定向方法有三种：

①按转子磁链φr（φ2）定向：

控制性能最好，但转子磁链不易测量和控制；

②按气隙磁链φm定向：

气隙磁链较易测量和控制，但控制性能不好；

③按定子磁链φs（φ1）定向：

定子磁链最容易测量和控制，但控制性能不好；

五、交流异步电动机直接转矩控制

名词解释：

DTCDSCSPWM原型电动机

DTC（DirectTorqueControl）或DSC（DirectSelfControl）：

直接转矩控制，通过改变电机磁场对转子的瞬时转差速率，以直接控制异步机的转矩和转矩增加率，获得电机的快速响应。

SPWM：

正弦波脉宽调制，将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。

三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参考电压信号Ura、Urb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。

逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。

原型电动机：

（两相电动机），它具有两个集中绕组，即d轴绕组（直轴绕组）和q轴绕组（交轴绕组），两个绕组互相垂直，可以对转矩和磁通进行独立控制其转子结构与直流电动机一样，有枢和换向器等。

问题5-1：

简述直接转矩控制的工作原理，并比较它与矢量控制的异同点。

①

+

直接转矩控制技术利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，它采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。

它省掉了复杂的矢量变换与电动机的数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理结构明确。

该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内。

且无超调，是一种具有高性能的交流调速方法。

②直接转矩控制与矢量控制的相同点是：

两者都要对转矩和磁链进行控制。

③直接转矩控制与矢量控制的相同异点如下：

直接转矩控制只利用定子侧参数，而矢量变换控制是利用转子侧参数，这些参数容易受转子转速变化的影响；直接转矩控制在静止的坐标系中进行，控制运算比矢量变换控制简单；直接转矩控制对转矩进行闭环控制，准确性高，动态性好，而矢量控制则过分要求圆磁磁链和正弦波电流；直接转矩控制和直接磁链控制采用滞环，参数选择适当可弥补由直接转矩控制引起的速度下降。

直接转矩控制利用相电压矢量的概念，对逆变器的功率开关进行综合控制，开关次数少，开关损耗少。

问题5-2：

请画出异步电动机的空间矢量