Was sind Harmonische in elektrischen Systemen und was verursacht sie?

In einem elektrischen System beziehen sich Harmonische auf die Komponenten mit Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind, die durch die Zerlegung einer periodischen, nicht-sinusförmigen Wechselgröße mittels Fourierreihe gewonnen werden. Sie werden üblicherweise als Oberschwingungen bezeichnet.

Die Hauptursachen für Harmonische sind wie folgt:

• Existenz von nichtlinearen Lasten: Dies ist die primäre Ursache für die Erzeugung von Harmonischen. Zum Beispiel führen leistungselektronische Geräte, einschließlich Gleichrichter, Inverter und Frequenzumrichter, durch die Verzerrung der Strom- und Spannungswellenformen während des Betriebs zu Harmonischen. Nehmen wir einen Gleichrichter als Beispiel. Er wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. Während dieses Umwandlungsprozesses zeigt der Eingangsstrom eine nicht-sinusförmige Wellenform und enthält eine große Anzahl von harmonischen Komponenten. Darüber hinaus sind Geräte wie Lichtbogenöfen und Leuchtstofflampen ebenfalls gängige nichtlineare Lasten. Im Prozess des Stahlerzeugens in einem Lichtbogenofen führt die Instabilität des Lichtbogens zu Stromfluktuationen und zur Erzeugung von Harmonischen. Aufgrund der Funktion des Vorschaltgeräts in einer Leuchtstofflampe wird die Stromwelle ebenfalls verzerrt und erzeugt Harmonische.

• Erregungsstrom von Transformatoren: Wenn ein Transformator im Betrieb ist, tritt magnetische Sättigung in seinem Eisenkern auf, wodurch der Erregungsstrom nicht länger sinusförmig ist und Harmonische erzeugt. Besonders wenn der Transformator ohne Last eingeschaltet oder unter leichter Last betrieben wird, sind die harmonischen Komponenten im Erregungsstrom deutlicher.

• Unausgeglichenheit des Versorgungssystems: Wenn die Lasten jeder Phase in einem dreiphasigen Versorgungssystem ungleichmäßig verteilt sind, führt dies zur Asymmetrie von Strom und Spannung und damit zur Erzeugung von Harmonischen. Zum Beispiel können in einigen Industrieanlagen aufgrund unterschiedlicher angeschlossener Geräte an jeder Phase Situationen der dreiphasigen Lastungleichgewichtigkeit auftreten, was zu Harmonischen im Versorgungssystem führt.

Harmonische können zu erhöhtem Wärmeaufkommen und größeren Verlusten in elektrischen Geräten führen, was den normalen Betrieb und die Lebensdauer der Geräte beeinflusst. Sie können auch Kommunikationssysteme stören und Resonanzen im Energiesystem und andere Probleme auslösen. Daher müssen entsprechende Maßnahmen zur Behandlung ergriffen werden.