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.

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Kurz gesagt: Harmonische Oberschwingungen sind Strom- oder Spannungsanteile, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Netz-Grundfrequenz ist. In Deutschland schwingt das Netz mit 50 Hz – das ist die Grundschwingung (1. Harmonische). Die 3. Harmonische liegt dann bei 150 Hz, die 5. bei 250 Hz, die 7. bei 350 Hz und so weiter. Überlagern sich diese Vielfachen mit der Grundschwingung, wird aus der sauberen Sinuskurve eine verzerrte Kurve. Genau diese Verzerrung meint man, wenn von Oberschwingungen die Rede ist. Sie entstehen nicht im Netz selbst, sondern durch die Geräte, die daran hängen.

Der Auslöser sind sogenannte nichtlineare Verbraucher: Geräte, die den Strom nicht gleichmäßig über die Sinuswelle ziehen, sondern in Schüben. Dazu zählen Schaltnetzteile, LED- und Leuchtstoff-Vorschaltgeräte, Frequenzumrichter, Wechselrichter von PV-Anlagen, Ladegeräte und drehzahlgeregelte Motoren. Praktisch prüfst du das so: Ob und wie stark dein Netz belastet ist, zeigt eine Netz- oder Power-Quality-Analyse, die den Oberschwingungsgehalt misst – üblicherweise als THD (Total Harmonic Distortion, Gesamtverzerrung) und aufgeschlüsselt nach den einzelnen Ordnungen. Bemerkbar machen sich Oberschwingungen unter anderem durch warmwerdende Transformatoren und Motoren, überlastete Neutralleiter (besonders durch die 3. Harmonische) sowie Störungen empfindlicher Elektronik. Ob Handlungsbedarf besteht, entscheidest du also nicht nach Gefühl, sondern anhand einer konkreten Messung an deinem Anschluss.

Die 3. harmonische Oberschwingung ist die Schwingung mit der dreifachen Frequenz deiner Netz-Grundschwingung. Bei 50 Hz Netzfrequenz liegt sie also bei 150 Hz. Sie ist eine der ungeradzahligen Oberschwingungen (Ordnungszahl 3) und entsteht überall dort, wo Verbraucher den Strom nicht sinusförmig, sondern in Impulsen ziehen — typischerweise an nichtlinearen Lasten wie Schaltnetzteilen, LED-Treibern, Frequenzumrichtern, Ladegeräten oder Dimmern. Diese Verbraucher verzerren die Stromkurve, und die 3. Harmonische ist bei ihnen meist der stärkste Verzerrungsanteil.

Das Besondere und zugleich Kritische an der 3. Harmonischen: In einem Drehstromnetz heben sich die drei Phasenströme im Neutralleiter normalerweise auf. Für die 3. Harmonische gilt das aber nicht — sie schwingt in allen drei Phasen gleichphasig (sie gehört zum sogenannten Nullsystem). Deshalb addieren sich die 3. Harmonischen der drei Außenleiter im Neutralleiter, statt sich auszulöschen. Die Folge: Der Neutralleiter kann trotz symmetrischer Last hohe Ströme führen und sich unerwartet erwärmen, obwohl er oft schwächer ausgelegt ist. Willst du das prüfen, misst du mit einem Netzanalysator den Neutralleiterstrom und das Oberschwingungsspektrum; auffällige 150-Hz-Anteile bestätigen das Problem. Abhilfe schaffen ein voll dimensionierter Neutralleiter, aktive oder passive Filter sowie Verbraucher mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC).