Nach Transformator und Kabel gehen wir diesmal einen Schritt zurück. Am einfachsten lässt sich das an einem Gerät zeigen, das in jedem Gebäude hundertfach verbaut ist. Gemeint ist das Schaltnetzteil, etwa im LED-Treiber.

Der Strom fließt nur in Impulsen

Hinter dem Gleichrichter sitzt ein Glättungskondensator. Er wird nur nachgeladen, solange die Netzspannung größer ist als seine eigene Spannung. Das passiert in einem schmalen Fenster nahe dem Scheitelpunkt, typisch zwei bis drei Millisekunden je Halbwelle. Den Rest der Periode fließt praktisch kein Strom.
Aus der Sinushalbwelle wird so ein schmaler, hoher Impuls, und das zweimal je Periode.

Die Oberschwingung ist schon im Impuls enthalten

Jede periodische Kurve lässt sich als Überlagerung von Sinusschwingungen darstellen. Dazu gehören die Grundschwingung mit 50 Hz und ganzzahlige Vielfache davon. Die Ordnungszahl gibt an, um welches Vielfache es sich handelt. Die 3. Ordnung liegt bei 150 Hz, die 5. bei 250 Hz und die 7. bei 350 Hz.
Mathematisch ist der Impuls des Schaltnetzteils nichts anderes als die Summe dieser Anteile. Die Oberschwingung kommt also nicht als Störung von außen hinzu. Sie beschreibt, was der verzerrte Strom bereits ist.

Vom Strom zur Spannung

Bis hierhin betrifft das nur den Verursacher. Entscheidend ist der nächste Schritt. Die Oberschwingungsströme fließen über die Netzimpedanz zurück zur Quelle und erzeugen dort je Ordnung einen Spannungsfall. Weil die Impedanz mit der Frequenz steigt, wirken höhere Ordnungen überproportional.
Am Verknüpfungspunkt entsteht so eine verzerrte Spannung. Die sehen alle angeschlossenen Betriebsmittel, auch die, die selbst sauber sinusförmig arbeiten.

Im industriellen Maßstab

Zur Erklärung eignet sich das Schaltnetzteil gut, für sich genommen ist es aber unkritisch. Relevant wird es dort, wo dieselbe Physik in ganz anderen Leistungsklassen auftritt.
Große Antriebe mit Frequenzumrichtern arbeiten am Eingang mit Gleichrichterbrücken. Bei 6-pulsigen Schaltungen entstehen dabei die typischen Ordnungen 5, 7, 11 und 13. Lichtbogenöfen bringen zusätzlich stark schwankende und nicht ganzzahlige Anteile ein. Schweißanlagen speisen im Takt ihrer Prozesse ein. Auch Batteriespeicher tragen über ihre Wechselrichter zum Oberschwingungspegel bei, wobei moderne Geräte deutlich sauberer arbeiten als ältere Topologien.

In der Planung geht ein Punkt gern unter. Die Anteile mehrerer Verursacher addieren sich nicht einfach arithmetisch. Ihre Phasenlage entscheidet darüber, ob sie sich verstärken oder teilweise auslöschen. Und je geringer die Kurzschlussleistung am Anschlusspunkt ist, desto stärker schlägt der Strom auf die Spannung durch.