طبق واژه نامه جهانی جدید وبستر، هارمونیک ها تن‌های خالصی هستند که یک قطعه موسیقی مرکب را می‌سازند. یک تن خالص، یک صوت موسیقی است که تنها شامل فرکانس باشد و ترکیب این تنها یک قطعه مرکب را می‌سازد. صوت یک موج الکترومغناطیسی است که متناوب و تابعی از زمان است که در فضا حرکت می‌کند. اصول مربوط به صوت، قابل تعمیم به دیگر توابع یا کمیت‌های وابسته به زمان است.
در اوایل سال 1800 میلادی، یک ریاضی دان فرانسوی به نام فوریه فرمولی ارائه کرد تا بتوان توابع غیرسینوسی متناوب از یک فرکانس اصلی را به صورت مجموع توابع سینوسی با فرکانسی از مضرب صحیح فرکانس اصلی نوشت.
هارمونیک‌ها:
توابع ولتاژ و جریان سینوسی وابسته به زمان با استفاده از روابط زیر قابل بیان هستند.
v(t)=V sin(ωt)
i(t)=I sin(ωt+φ)
در رابطه بالا همان سرعت زاویه‌ای و اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان است. تابع ولتاژ و جریان نشان می‌دهد که سینوسی خالص هستند و برای یک شکل موج متناوب غیر سینوسی، یک فوریه ساده را می‌توان مطابق رابطه زیر نوشت.
v(t)=V0+V1sin(ωt)+ V2sin(ωt)+………..Vnsin(nωt)
همانطور که مشاهده می‌شود، فوریه یک سری نامتناهی است. در رابطه بالا مقدار ثابت یا DC شکل موج را نشان می‌دهد. به آن بخش از موج که دارای سرعت زاویه‌ای و اندازه است مولفه اصلی یا هارمونیک اول می‌گویند. به بخشی که دارای سرعت زاویه‌ای است هارمونیک دوم، بخشی که دارای سرعت زاویه‌ای است هارمونیک سوم و به‌طور کلی بخشی که دارای سرعت زاویه‌ای است هارمونیک nام می‌گوییم. بنابراین اگر فرکانس مولفه اصلی یک موج را برابر f در نظر بگیریم، هارمونیک nام آن موج دارای فرکانس nf خواهد بود. برای مثال در شبکه برق ایران که مولفه اصلی برابر 50 هرتز است، هارمونیک دوم دارای فرکانس 100 هرتز و هارمونیک سوم دارای فرکانس 150 هرتز است.
در شکل 5-3 مولفه اصلی به همراه هارمونیک دوم و سوم به خوبی نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشخص است در یک سیکل مولفه اصلی، هارمونیک دوم دارای دو سیکل و هارمونیک سوم دارای سه سیکل است. مقادیر به ترتیب دامنه مولفه اصلی، هارمونیک دوم و سوم هستند. البته به طور معمول در شبکههای برق دامنه هارمونیک‌ها بسیار کوچک‌تر از دامنه مولفه اصلی است ولی در این مثال برای وضوح بیشتر دامنه هارمونیک‌ها بیشتر انتخاب شده‌اند.
اگر بخواهیم اثر یک موج سینوسی را بر روی تجهیزات بررسی کنیم، می‌توانیم اثر تک تک هارمونیک‌ها را تعیین و سپس اثر آن‌ها را به صورت برداری باهم جمع نماییم.
هارمونیک‌های فرد و زوج
همانطور که از نام‌ها مشخص است، هارمونیک فرد به هارمونیکی گفته می‌شود که مرتبه آن فرد باشد (مانند:3 ، 5، 7، …) و هارمونیک زوج به هارمونیکی گفته می‌شود که مرتبه آن زوج باشد (مانند:2 ، 4، 6، …). هارمونیک مرتبه اول نیز همان مولفه اصلی است. هارمونیک صفر نیز نشان دهنده قسمت ثابت یا DC موج است. وجود قسمت DC در یک شکل موج اثرات نامطلوبی به همراه دارد. برای مثال می‌توان از اشباع ترانسفورماتورها به دلیل وجود قسمت DC در ولتاژ یا جریان نام برد. اصولا ترانسفورماتورها طوری طراحی می‌شوند که در زیر نقطه زانویی فعالیت کنند، اما وجود قسمت DC در ولتاژ یا جریان ترانسفورماتور، یک میدان مغناطیسی DC بزرگ در داخل ترانسفورماتور به وجود می‌آورد که با میدان مغناطیسی AC جمع شده و باعث افزایش میدان کل شده و می‌تواند نقطه کار ترانس را بالاتر از نقطه زانویی به ناحیه اشباح ببرد.
معمولا مرتبه هارمونیک‌ها صحیح است، اما صنایعی وجود دارد که هارمونیک‌های غیرصحیح در جریان و ولتاژ به وجود می‌آورند. کوره‌های قوس الکتریکی از جمله عوامل تولید هارمونیک های غیر صحیح هستند. جوش‌های قوسی نیز هارمونیک‌های غیر صحح تولید می‌کنند. در هر دو مورد وقتی قوس به ثبات و حالت پایدار می‌رسد، هارمونیک‌های غیرصحیح از بین می‌روند و تنها هارمونیک‌های صحیح باقی می‌مانند.
بیشتر بارهای غیرخطی هارمونیک‌های مرتبه فرد تولید می‌کند. تنها در شرایط خاصی هارمونیک‌های زوج تولید می‌شوند. هنگامی که مقدار جریان کشیده شده در نیم سیکل منفی و مثبت یکسان نباشد، هارمونیک زوج تولید می‌شود. جریان مغناطیسی ترانس و جریان کوره‌های قوس الکتریکی در لحظه راه اندازی شامل مقدار قابل توجهی هارمونیک زوج هستند.