Harmonische Oberschwingungen: Was steckt dahinter?
Du willst wissen, was harmonische Oberschwingungen sind und warum sie in Stromnetzen ein Thema sind? Hier bekommst du die Antwort direkt, ohne Umwege.
Harmonische Oberschwingungen sind Stromschwingungen, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundschwingung ist. Jede Schwingung wird über ihre Ordnungszahl beschrieben: Die 1. Harmonische ist die Grundschwingung mit 50 Hz, die 3. Harmonische schwingt mit 150 Hz, die 5. mit 250 Hz und die 7. mit 350 Hz. Legst du diese Schwingungen übereinander, entsteht statt einer sauberen Sinuswelle eine verzerrte Kurvenform.
Die Grundschwingung liefert die eigentliche 50-Hz-Energie. Die Oberschwingungen sind kleinere, schneller schwingende Anteile, die sich draufsetzen. In symmetrischen Netzen treten vor allem die ungeraden Ordnungen (3., 5., 7., 9. …) auf, geradzahlige heben sich meist gegenseitig auf. Je stärker die höheren Ordnungen ausgeprägt sind, desto weiter weicht die reale Spannungs- und Stromkurve von der idealen Sinusform ab.
Verursacher sind sogenannte nichtlineare Verbraucher: Geräte, die den Strom nicht gleichmäßig über die Sinuswelle ziehen, sondern in Impulsen. Dazu zählen Schaltnetzteile, LED-Treiber, Frequenzumrichter, Ladegeräte, Wechselrichter von PV-Anlagen und Speichern sowie viele Leistungselektronik-Komponenten. Sie zerhacken den Stromfluss und speisen dadurch die Oberschwingungsanteile ins Netz zurück.
Oberschwingungen transportieren keine nutzbare Wirkleistung, belasten aber Leitungen, Transformatoren und Motoren zusätzlich. Das führt zu Erwärmung und höheren Verlusten. Besonders die 3. Harmonische und ihre Vielfachen (Triplen) addieren sich im Neutralleiter auf und können ihn überlasten, obwohl die Außenleiter gleichmäßig belastet scheinen. Auch Fehlfunktionen empfindlicher Elektronik sind möglich.
Das übliche Maß ist der Klirrfaktor THD (Total Harmonic Distortion). Er gibt an, wie groß der Anteil aller Oberschwingungen im Verhältnis zur Grundschwingung ist – je niedriger, desto sauberer die Kurve. Netzanalysatoren zeichnen die einzelnen Ordnungen auf, sodass du siehst, welche Harmonische (z. B. die 5. oder 7.) den größten Beitrag liefert.
Reduzieren lassen sich Oberschwingungen durch passive Filter (Saugkreise auf einzelne Ordnungen abgestimmt), aktive Filter, die gezielt gegenphasige Ströme einspeisen, sowie durch Drosseln vor Umrichtern. Auch die Aufteilung nichtlinearer Lasten auf mehrere Stromkreise entlastet den Neutralleiter. Bei größeren Anlagen lohnt sich vorab eine Netzanalyse, um die dominanten Ordnungen zu kennen.