Harmonics (harmonischen) · Woordenlijst

Harmonics, in het Duits meestal Oberschwingungen of Harmonische genoemd, zijn spannings- of stroomcomponenten in een wisselstroomsysteem waarvan de frequentie een geheel veelvoud van de grondfrequentie is. In Europese elektriciteitsnetten bedraagt de netfrequentie 50 hertz. De harmonische van orde h = 2 ligt dus op 100 hertz, die van orde 3 op 150 hertz, die van orde 5 op 250 hertz enzovoort. Bij het tellen is voorzichtigheid geboden: vakinhoudelijk wordt doorgaans geteld volgens de orde h, dus volgens het veelvoud van de grondfrequentie. In het Duitse spraakgebruik wordt 100 hertz echter soms ook de „eerste Oberschwingung" genoemd. Eenduidig is daarom alleen de vermelding van de orde of de frequentie. Een ideale sinusvormige wisselstroom bevat enkel de grondgolf. Echte netten bevatten bijkomend kleinere frequentiecomponenten, omdat toestellen en installaties stroom niet altijd sinusvormig opnemen of invoeden.

Men kan het zich als volgt voorstellen: elke periodieke, maar vervormde golfvorm laat zich wiskundig (Fourier-ontbinding) voorstellen als de som van een sinusgolf van 50 hertz en meerdere snellere sinusgolven. Hoe sterker de kromme van de sinusvorm afwijkt, hoe groter deze bijkomende componenten zijn.

Kenmerken: orde, afzonderlijk niveau en THD

Harmonischen worden beschreven aan de hand van hun orde, hun afzonderlijk niveau en vervormingskenmerken. De belangrijkste kengrootte is de Total Harmonic Distortion (THD), in het Duits Gesamtoberschwingungsgehalt. Hiervoor worden de effectieve waarden van de afzonderlijke harmonischen kwadratisch opgeteld en wordt uit de som de wortel getrokken. Het resultaat wordt betrokken op de grondgolf. Bij de spanningskwaliteit worden daarbij gewoonlijk de ordes 2 tot 40 meegeteld. De THD is dus geen eenvoudige som van de afzonderlijke componenten. Voor spanning (THDu) en stroom (THDi) wordt hij afzonderlijk opgegeven.

Stroomharmonischen en spanningsharmonischen moeten zorgvuldig worden onderscheiden. Stroomharmonischen ontstaan vooral door niet-lineaire verbruikers of omvormers. Spanningsharmonischen ontstaan pas wanneer deze vervormde stromen spanningsvallen veroorzaken over de frequentieafhankelijke netimpedantie. Een toestel geeft dus harmonische stromen af of neemt ze op. Of daaruit een noemenswaardige spanningsvervorming volgt, hangt af van het aansluitpunt op het net, van het daar aanwezige kortsluitvermogen en van de netimpedantie. In een zwak net met hoge impedantie veroorzaakt dezelfde harmonische stroom duidelijk meer spanningsvervorming dan op een sterk aansluitpunt.

Waarom harmonischen ontstaan

Harmonischen ontstaan typisch waar elektrische energie met vermogenselektronica wordt omgezet. Daartoe behoren schakelende voedingen in computers en huishoudtoestellen, laders, frequentieomvormers voor motoren, gelijkrichters, omvormers van fotovoltaïsche installaties, batterijopslag, laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen en veel industriële installaties. Ook magnetisch verzadigde ijzerkernen en vlamboogovens vervormen de stroom. Een eenvoudige voeding met gelijkrichter en afvlakcondensator trekt bijvoorbeeld slechts kort voor de spanningspiek een stroompuls. Dat levert een sterk niet-sinusvormige kromme op met hoge aandelen van de 3e, 5e en 7e orde. Een driefasige zespulsige gelijkrichter genereert vooral de zogenoemde karakteristieke ordes 5, 7, 11, 13 enzovoort.

Dat betekent niet dat elke vermogenselektronica noodzakelijk een slechte stroomkwaliteit veroorzaakt. Moderne omvormers met actieve arbeidsfactorcorrectie of met pulsbreedtegemoduleerde regeling kunnen in het bereik van de klassieke harmonischen zeer zuivere stroomvormen opleveren, mits ze daarvoor passend zijn ontworpen, geregeld en gefilterd. Daarbij verschuiven ze storende componenten vaak naar hun hoge schakelfrequenties. Omgekeerd kunnen eenvoudige toestellen in grote aantallen aanzienlijke vervorming veroorzaken. Voor het net tellen daarom het concrete ontwerp, de bedrijfswijze, het aansluitpunt en de som van veel toestellen in hetzelfde netgedeelte.

Harmonischen moeten worden onderscheiden van andere verschijnselen van de spanningskwaliteit. Een afwijking van de netfrequentie betreft de grondfrequentie zelf. Spanningsdips, flikker of snelle spanningsveranderingen beschrijven veranderingen in de tijd van de spanningshoogte. Blind vermogen in klassieke zin betreft de faseverschuiving tussen grondgolfstroom en grondgolfspanning. Harmonischen betreffen daarentegen de golfvorm. Er is wel een overlapping: vervormde stromen verhogen het schijnbaar vermogen zonder werkelijk vermogen over te dragen. Dat wordt deels vervormingsblindvermogen genoemd. Daarom kan de arbeidsfactor van een toestel duidelijk onder zijn cos φ liggen. Klassieke compensatie met condensatoren verwijdert dit aandeel niet.

Technische gevolgen in het net en in installaties

Harmonische stromen verhogen de effectieve waarde van de stroom en daarmee de verliezen en de opwarming in kabels, transformatoren en machines. Omdat stroomverdringing (skin-effect) en wervelstromen met de frequentie toenemen, wegen hogere ordes onevenredig zwaar door. In een transformator stijgen vooral de wervelstroom- en strooiveldverliezen. Daarom worden transformatoren voor sterk vervormde belastingen soms groter gedimensioneerd of speciaal uitgevoerd. In motoren veroorzaken harmonischen extra verliezen, pulserende koppels en geluid. Condensatoren van de blindvermogencompensatie vormen met de netinductantie een resonantiekring. Ligt de resonantiefrequentie ervan dicht bij een aanwezige harmonische, dan wordt die sterk versterkt, ook als de eigenlijke bron klein is. Verholpen wordt dit met gesmoorde compensatie-installaties of gericht afgestemde filters.

Bijzondere aandacht verdienen de door drie deelbare ordes, zoals de 3e, 9e of 15e. In een symmetrisch belast vierdradensysteem in het laagspanningsnet zijn ze in alle drie de buitengeleiders in fase (nulsysteem). In de nulgeleider heffen ze elkaar daarom niet op, maar tellen ze op. De nulgeleiderstroom kan dan zelfs groter worden dan de stroom in de buitengeleiders, hoewel men bij een symmetrische belasting eerder een kleine stroom zou verwachten. Getroffen zijn vooral gebouwen met veel eenfasige elektronische verbruikers, zoals kantoren of datacenters.

Ook beveiligingstechniek, meettoestellen en signaaloverdracht kunnen worden beïnvloed. Beveiligingsinrichtingen kunnen op vervormde stromen anders reageren dan op zuivere sinusstromen, wat in het extreme geval tot foutieve uitschakelingen leidt. Energiemeters en meettransformatoren moeten niet-sinusvormige grootheden correct registreren. Rimpelspanningssignalen, powerline-communicatie en andere signalen op het net kunnen worden verstoord wanneer frequentiebereiken samenvallen. Harmonischen zijn daarom geen zuiver efficiëntieonderwerp, maar raken ook de bedrijfszekerheid, de levensduur van installaties en de meetnauwkeurigheid.

Afbakening ten opzichte van interharmonischen en supraharmonischen

Niet elke bijkomende frequentiecomponent is een harmonische in enge zin. Interharmonischen (interharmonics) liggen niet op gehele veelvouden van de grondfrequentie. Ze ontstaan bijvoorbeeld door bepaalde omvormers, vlamboogovens of aandrijvingen met variabel toerental. Als supraharmonischen worden meestal vervormingen in het bereik van 2 tot 150 kilohertz aangeduid, dus boven de klassieke harmonischen, die in 50-hertznetten tot ongeveer 2 kilohertz reiken. Boven 150 kilohertz begint het gebied van geleide radiostoringen. Supraharmonischen ontstaan vooral door de hoge schakelfrequenties van omvormers, actieve gelijkrichters en laders. Ze planten zich anders voort en gedragen zich in de tijd anders dan klassieke harmonischen. Grenswaarden en meetmethoden daarvoor zijn nog in ontwikkeling.

Deze afbakening is praktisch belangrijk, omdat normen, meetmethoden en filterconcepten verschillen naargelang het frequentiebereik. Een filter voor de 5e of 7e orde lost geen problemen op in het kilohertzbereik. Een lage THD zegt niets over storingen boven de 40e orde. Wie de stroomkwaliteit beoordeelt, moet daarom aangeven welk frequentiebereik en welke meetgrootheid bedoeld wordt.

Normen, verantwoordelijkheid en economische aspecten

Harmonischen zijn een typisch raakvlakonderwerp dat onder de overkoepelende term netterugwerkingen wordt behandeld. In Europa beschrijft EN 50160 de kenmerken van de voedingsspanning in openbare netten (huidige uitgave: 2022). Voor laag- en middenspanning noemt ze een THD van de spanning van 8 procent. De beoordeling is statistisch: over een week worden 10-minutengemiddelden gevormd, en 95 procent daarvan moet deze waarde respecteren. Daarnaast bevat de norm waarden voor afzonderlijke ordes. EN 50160 is een beschrijving van spanningskenmerken en geen immuniteitsnorm voor toestellen. Ook een net dat de waarden respecteert, kan gevoelige toestellen storen.

Voor toestellen gelden de emissienormen van de reeks IEC 61000 (in Europa als EN IEC 61000). IEC 61000-3-2 beperkt de harmonische stromen van toestellen met een nominale stroom tot en met 16 A per geleider die op openbare laagspanningsnetten worden aangesloten, voor de ordes 2 tot 40. De Europese versie EN IEC 61000-3-2:2019 werd in 2024 aangevuld met wijziging A2. Voor grotere toestellen bestaan afzonderlijke delen, zoals IEC 61000-3-12. IEC 61000-2-2 legt compatibiliteitsniveaus vast voor openbare laagspanningsnetten. Ze werd intussen ook uitgebreid naar het bereik van 2 tot 150 kilohertz. Voor grotere opwekkings- en verbruiksinstallaties gelden bovendien de regels voor de netaansluiting van de betrokken netbeheerder. Zij beoordelen de emissie van een installatie meestal in verhouding tot het kortsluitvermogen op het aansluitpunt.

Deze regels verdelen de technische verantwoordelijkheid: een afzonderlijk toestel mag het net niet overmatig belasten, en het net moet een kwaliteit bieden waarin normconforme toestellen betrouwbaar functioneren. Economisch komen harmonischen vaak slechts indirect tot uiting. Ze veroorzaken extra verliezen, kortere levensduur, foutieve uitschakelingen, filters, grotere nulgeleiders, robuustere transformatoren en meetcampagnes. De kosten ontstaan daarbij niet altijd bij de bron. Een installatie kan harmonische stromen veroorzaken, terwijl een andere aangeslotene in hetzelfde netgedeelte resonantie of opwarming vaststelt. Omdat veroorzaking en getroffenheid uiteen kunnen vallen, is het onderwerp regulatorisch veeleisend.

Veelvoorkomende misverstanden

„Hernieuwbare energie veroorzaakt harmonischen": fotovoltaïsche installaties en batterijopslag werken weliswaar met omvormers, maar hun effect hangt af van toestelontwerp, regeling, filtering en netaansluiting. Moderne omvormers respecteren de emissiegrenzen doorgaans. Tegelijk verandert het groeiend aantal toestellen met vermogenselektronica de elektrische omgeving. Roterende machines, die vroeger als demping werkten, worden minder talrijk, terwijl geschakelde omzetters toenemen. Daaruit ontstaat nieuwe behoefte aan metingen, normalisatie en netplanning.
„Vuile stroom": de uitdrukking vermengt verschillende fenomenen. Een hoge 5e harmonische, een spanningsdip, flikker en hoogfrequente storingen hebben verschillende oorzaken en tegenmaatregelen. Zonder nauwkeurige benoeming wordt gemakkelijk een filter geplaatst, terwijl eigenlijk het net versterkt zou moeten worden. Of een toestel komt in verdenking, terwijl een resonantie in het lokale net de hoofdoorzaak is.
„De THD zegt alles": een enkele procentwaarde zegt weinig als onduidelijk is of spanning of stroom bedoeld wordt en welke meetduur, welke belastingstoestand en welk frequentiebereik gelden. Een hoge stroom-THD bij kleine belasting kan een absoluut geringe harmonische stroom betekenen. Een net met lage vervorming in normaal bedrijf kan in andere schakeltoestanden gevoelig zijn voor resonantie. Voor de beoordeling heeft men relatieve kengrootheden en absolute stromen of spanningen samen nodig.

Harmonischen tonen dat stroomkwaliteit niet enkel uit spanningshoogte en frequentie bestaat. De golfvorm beïnvloedt verliezen, bedrijfsmiddelen, beveiligingstechniek, toestelwerking en aansluitregels. In een stroomsysteem met veel omvormers, laders en elektronisch geregelde installaties wordt dit niveau belangrijker. Harmonischen zijn daarbij geen afzonderlijke oorzaak en geen algemene fout. Ze zijn een meetbare eigenschap van spanning en stroom, waarvan het effect voortkomt uit toestel, netimpedantie, bedrijfstoestand en regelgeving.

Bronnen

Zusammenfassung wesentlicher Festlegungen der Norm EN 50160 — MTM (Messtechnik-Anbieter, Österreich); unbekannt. Tabelle, Zeile Oberschwingungsspannung
EN 50160 Standard: Voltage Limits Table and Compliance Rules — Inspector Network; unbekannt (ca. Oktober 2026). Abschnitte zu Ausgabe, 95-%-Regel und „What EN 50160 does not do“
EN IEC 61000-3-2:2019/A2:2024 – Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤ 16 A per phase) — CENELEC (Katalogeintrag iTeh Standards); 2024-04. Titel, Scope, Angaben zur Änderung
IEC 61000-3-2 — Wikipedia; unbekannt. Einleitung
The Effects of Supraharmonic Distortion in MV and LV AC Grids — Sensors (MDPI), über PubMed Central; Mariscotti und Mingotti; 2024-04-11. Abstract und Einleitung

Gerelateerde begrippen

Edited by eCMS on 12.11.2026 05:05