מונה חשמל

מונה חשמל הוא מכשיר מדידה המונה את האנרגיה החשמלית העוברת דרכו ביחידות של קילוואט-שעה (קוט"ש).

שימושים 
באמצעות מונה חשמל ניתן לדעת את צריכת החשמל של מתקן חשמל או חלק ממנו. השימוש העיקרי במוני חשמל הוא לצורך גביית תשלום בגין הצריכה. על מנת לדעת את כמות האנרגיה החשמלית אותה צרך לקוח מסוים, מחוברת מערכת החשמל של הצרכן לתשתית של הספק דרך מונה חשמל. המונה מאפשר לחשב את כמות החשמל אותה צרך הלקוח, ובהתאם לכמות זו לחייב את הלקוח בתשלום עבור הצריכה.

היסטוריה

מונה זרם ישר

בשנת 1825 הופק לראשונה גז טבעי בצורה מסחרית במדינת ניו יורק, ונדרש פיתוח של מוני גז שישמשו את חברות הגז כדי לחייב את הצרכנים בהתאם לצריכת הגז שלהם. החל משנת 1881 התפשט השימוש בחשמל באנגליה ובארצות הברית, הן בבתים פרטיים והן בבתי עסק, ובתוך זמן קצר החלו חברות החשמל ברחבי העולם לספק חשמל לצרכנים. בתחילה חויבו הצרכנים בתשלום קבוע בהתאם למספר נורות החשמל שהותקנו בבית, אולם עד מהרה התברר שזו לא השיטה הטובה ביותר למדוד צריכת חשמל,  והחברות החלו להתקין מוני חשמל המודדים את הצריכה, בדומה למוני הגז.

המונים הראשונים מדדו מטען חשמלי ביחידות של אמפר-שעה. על פי חוק שימור המטען החשמלי, המטען החשמלי בזרם ישר משקף במדויק את הצריכה בפועל. לדוגמה, אם במונה החשמל נרשמה צריכה של 100 אמפר-שעות, והמתח החשמלי הוא 230 וולט, משמעות הדבר היא כי סופקו ללקוח 23 קילוואט-שעה.

עם השנים פותחו סוגים רבים של מוני חשמל. תומאס אלווה אדיסון פיתח מערכת מדידה אלקטרוכימית, שהשתמשה בתא אלקטרוליטי כדי לדגום את הצריכה במרווחי זמן קבועים. המונה היה מסורבל לשימוש, ולא התקבל היטב על ידי הלקוחות. בבריטניה נפוצו במאה ה-19 מוני חשמל של חברת "ריזן" ("Reason") שהכילו תיבה נעולה ובה שפופרת זכוכית מוארכת מלאה בכספית, בדומה למדחום כספית. השפופרת מדדה באמצעות פעולה אלקטרוכימית את השימוש בחשמל בזרם ישר. רמת הכספית עלתה בהתאם לצריכת החשמל, וכאשר היא הגיעה לראש השפופרת, המונה הפך למעגל פתוח ואספקת החשמל ללקוח הופסקה. במקרים אלו נדרש להגיע סוכן של חברת החשמל, וזה היה גובה את דמי השימוש ומחזיר את רמת הכספית לקדמותה.

בשנת 1883 רשם ד"ר הרמן אהרון פטנט בגרמניה על מונה זרם ישר פשוט ונוח לקריאה, המציג את הצריכה בחמישה מעגלים עם מחוגים. חברת החשמל הבריטית החלה לספק מוני חשמל מסוג זה לצרכנים החל משנת 1888.

מונה זרם חילופין
רשת החשמל בכל מדינות העולם מובילה זרם חילופין, ולא זרם ישר. מדידת זרם חילופין שונה למדי ממדידת זרם ישר, מכיוון שהזרם הופך את כיוונו באופן מחזורי. הפקת חשמל באמצעות זרם חילופין פותחה לקראת סוף המאה ה-19. חלוץ המחקר בתחום זה היה האיטלקי גלילאו פראריס, שפרסם בשנת 1887 מחקר המתאר מערכת להפקת חשמל בזרם חילופין. חודשיים לאחר מכן רשם בארצות הברית ניקולה טסלה פטנט על מערכת דומה.

מחקרו של פראריס כלל רכיב המונה את החשמל הנצרך, ועד היום במדינות אירופה מכונה מונה החשמל "מונה פראריס".

המונה של פראריס היווה השראה למהנדסים רבים. בשנת 1889 הוצגו בתערוכה בפרנקפורט שני מוני חשמל לזרם חילופין. הראשון פותח על ידי ממציא הונגרי בשם אוטו בלאטי, שהתבסס על עיקרון ההשראה אלקטרומגנטית לספירת קילוואט-שעה (Blathy-meter), והשני על ידי אמריקאי בשם אליהו תומסון, מחברת ג'נרל אלקטריק. המונה של תומסון התאים הן לזרם ישר והן לזרם חילופין. עד היום משתמשים במונים המבוססים על העיקרון של בלאטי. Blathy-meter הראשון יוצר על ידי חברת "Ganz" ושקל 23 ק"ג.

אב-טיפוס של המונה המודרני פותח בשנת 1894 על ידי אוליבר שלנברגר מחברת וסטינגהאוס. מונה זה משתמש בעיקרון ההשראה האלקטרומגנטית כדי לסובב דיסקית שמהירות הסיבוב שלה היא פרופורציונלית לחשמל הנצרך. המונה של שלנברגר היה כבד ומגושם (41 פאונד, יותר מ-16 ק"ג). בעודו מנסה לתקן פגמים אלה, חלה שלנברגר והלך לעולמו, ומהנדסים אחרים בווסטינגהאוס סיימו את פיתוחו של המונה. מונה זה לא התאים למדידה משלימה בעבודה עם מנועים חשמליים מכיוון שלא כלל בתוכו אלמנט של המתח המיועד למדידת כופל ההספק.

סוגי מונים
קיימים שני סוגי מונים בסיסיים: מונה אלקטרו-מכני ומונה אלקטרוני.

מונה חשמל אלקטרו-מכני
מונה חשמל אלקטרו-מכני היה הסוג הנפוץ ביותר עד סוף המאה ה-20. מונה זה מותאם לרשת חשמל חד-פאזית בעלת זרם חילופין. המונה משתמש בעיקרון ההשראה האלקטרומגנטית כדי לסובב דיסקית מתכת שמהירות הסיבוב שלה היא פרופורציונלית לחשמל הנצרך. הלקוח מחויב בצריכת חשמל ביחס לכמות הסיבובים של הדיסקית.

מוני חשמל אלקטרו-מכניים דורשים קריאה ידנית, על ידי נציג חברת החשמל. נציג זה מבצע גם בדיקה בטיחותית בסיסית של המונה. לעיתים מחובר למונה רכיב נוסף הקורא את הנתונים ומעביר אותם באופן אוטומטי למרכז איסוף.

מונה חשמל אלקטרוני

מונה חשמל אלקטרוני אינו מכיל חלקים נעים מכניים. בלב המונה נמצאים מספר סלילי השראה, בדומה למונה אלקטרו-מכני, המודדים מתח חשמלי וזרם, ומייצרים שטפים מגנטיים. עוצמות השטפים נמדדות באמצעות חיישנים ומועברות לרכיבי ADC המפיקים את נתוני הצריכה. נתונים אלה מעובדים לאחר מכן באמצעות מעבד ייעודי המחשב את צריכת החשמל. התוצאה מוצגת בצג LCD או בתצוגה אלפאנומרית דומה.

בנוסף לחישוב צריכת החשמל, מונה אלקטרוני מסוגל לבצע פעולות נוספות, בהן העברה אוטומטית של קריאת המונה למרכז איסוף, אגירת נתוני צריכה תקופתיים, חישוב עומס בזמני שיא וחישוב תעריפי חיוב משתנים.

סוגים נוספים
 

מונה חשמל חכם הוא מונה אלקטרוני מתקדם, המאפשר פונקציונליות נוספת למדידת החשמל הנצרך, כמו הצגת הצריכה בזמן אמת, התראה על הפסקת חשמל, בקרה על איכות החשמל, תעריפים משתנים בהתאם לזמני היום ועונות השנה, וזיהוי מכשירי חשמל ביתיים הצורכים חשמל רב. אחת מזוגי של מונים חדשים הם מונים בעלי טכנולוגיה NILM.

בשנת 2016 פורסם כי חברת החשמל לישראל מתכננת התקנה נרחבת של מוני חשמל חכמים, המאפשרים קריאה מרחוק של צריכת החשמל, טיפול מהיר בתקלות חשמל, ואיתור מכשירים ביתיים הצורכים חשמל רב. ב-2017 הוחלפו המונים בשכונות בערים נתניה, ירושלים, באר שבע ומודיעין במונים חכמים, ומנובמבר 2021 חברת החשמל מתקינה בכל חיבור חדש מונה חכם. בשלב נוסף, מתוכננת החלפה הדרגתית של המונים בראשון לציון, בהרצליה, בפתח תקווה, בחדרה ובאשדוד.

מונה חשמל בתשלום מראש מופעל באמצעות כרטיס מגנטי המשולם מראש, ומאפשר צריכת חשמל מוגבלת. כפתור מיוחד במונה מאפשר הפעלה של מערכת החשמל לזמן קצר לאחר שמכסת הכרטיס המגנטי נוצלה עד תום. מונה חשמל מסוג זה חוסך לחברת החשמל את הצורך לשלוח נציג לקרוא את המונה. ניתן לקנות את הכרטיסים המגנטיים בבתי הדואר, וכמו כן אפשר לטעון אותם. לעיתים קיים במונה מנגנון המאפשר להאריך את אספקת החשמל באמצעות הקשת קוד ייחודי בלוח מקשים, המונפק על ידי חברת החשמל. מונים מסוג זה נפוצים בדירות שכורות בממלכה המאוחדת, דרום אפריקה, סודאן וצפון אירלנד.

בשנת 2005 החלה חברת החשמל לישראל להתקין מונים המוגבלים בתשלום מראש (מת"מ), הניתנים לטעינה באמצעות תשלום טלפוני בכרטיס אשראי. מונים אלה הוצעו לכ-130 אלף לקוחות שלא עומדים בתשלומי חשבונות החשמל שלהם ומועמדים לניתוק.

אופן פעולת המונה

מונה חשמל מודד באופן רציף מתח חשמלי (נמדד בוולט) וזרם חשמלי (נמדד באמפר), ומשתמש בתוצאות המדידה כדי לחשב את כמות החשמל הנצרך (ביחידות של קילוואט-שעה).

במונה אלקטרו-מכני הדיסקית מופעלת באמצעות השראה אלקטרומגנטית. מספר סלילי השראה יוצרים מעין מנוע השראה ישר דו-פאזי. הסלילים בצד אחד מודדים מתח חשמלי ומייצרים שטף מגנטי, והסלילים בצד השני מודדים זרם חשמלי ומייצרים שטף מגנטי נוסף. סלילי ההשראה המודדים מתח פולטים שטף מגנטי בהפרש פאזה של 90 מעלות, ומייצרים זרמי פוקו המפעילים כוח על הדיסקית וגורמים לה להסתובב. מהירות הסיבוב יחסית למכפלת הזרם, המתח, וזווית הפאזה שביניהם (מקדם הספק). מנגנון מכני סופר את הסיבובים ומספק מדידה של האנרגיה הנצרכת. הדיסקית מחוברת למנגנון גלגלי שיניים המציג את כמות החשמל הנצרכת באמצעות ספרות נעות או מחוגים.

כמות האנרגיה המיוצגת על ידי סיבוב מלא של הדיסקית מסומנת בסמל Kh והיא בדרך 7.2 קוט"ש. באמצעות ערך זה ניתן לקבוע את צריכת החשמל הביתית, על ידי מדידת זמן הסיבוב של הדיסקית (t) ושימוש במשוואה הבאה:

במשוואה זו, t הוא זמן סיבוב מלא של הדיסקית (בשניות), ו-P הוא ההספק בוואט. לדוגמה, אם Kh הוא 7.2, וזמן סיבוב מלא הוא 14.4 שניות, הצריכה היא 1800 וואט. אפשר להשתמש במשוואה זו כדי לקבוע את צריכת החשמל של מכשירים ביתיים, על ידי הפעלתם אחד אחד.

במונה אלקטרוני קיימים סלילי השראה דומים, אך במקום להניע דיסקית הם מחוברים לחיישנים ולמעבד, המחשבים את צריכת החשמל.

יחידות מידה
יחידת המידה הנפוצה במוני חשמל היא קילוואט-שעה (kWh), השווה לכמות האנרגיה הנדרשת כדי לייצר קילוואט אחד במשך שעה אחת, או 3,600,000 ג'ול.

בעבר נעשה שימוש ביחידות מידה שונות למדידת כמות החשמל הנצרכת. מוני חשמל במאה ה-19 מדדו את מקדם ההספק באמצעות יחידת קולון. מונים אחרים מדדו רק את משך הזמן בו נעשה שימוש כלשהו בחשמל. מונים אלה יצאו עד מהרה מכלל שימוש.

דיוק
מוני חשמל חייבים למדוד את האנרגיה הנצרכת במידת דיוק סבירה. כל טעות במדידה משמעותה הפסד לחברת החשמל, או לצרכן המחויב. הדיוק נקבע בהתאם לתקנים ותקנות, וקיימת אפשרות לבדוק במעבדה את דיוק המונה.

בממלכה המאוחדת התקנות קובעות כי מונה חשמל יכול לסטות במדידת החשמל עד 3.5% כלפי מטה, או עד 2.5% כלפי מעלה. תלונות של צרכנים על דיוק המונה נבדקות במעבדה, והמונים עוברים כיול אצל הנדסאי חשמל המומחה לנושא זה. בדיקות המעבדה העלו כי 93% מהמונים שנשלחו התגלו כתקינים, וכ-7% סטו במדידה, והפרשי הגבייה הוחזרו לצרכנים.

על פי פרסומי חברת החשמל לישראל, בבדיקת המונים האחרונה שבוצעה (2018) 1 מכל 208 מונים אלקטרו-מכניים נמצא לא תקין, ואילו כל המונים האלקטרוניים נמצאו תקינים.

חיבור המונה
אצל לקוחות ביתיים ועסקים קטנים, המונה מחובר ישירות למערכת החשמל של הלקוח. 

בהתקנות תעשייתיות בעלות עומסי זרם גדולים, המונה אינו מחובר ישירות למערכת החשמל אלא מקבל את נתוני הצריכה דרך שנאי זרם. בהתקנה מעין זו המונה עשוי להיות מותקן הרחק מהשנאי, למשל בארון חשמל מרכזי.

חבלה במונה ומניעת זיופים
לעיתים צרכנים מחבלים במוני החשמל כדי להימנע מתשלום על צריכת החשמל, אך חברת החשמל מסוגלת לגלות פגיעה כזו בתוך זמן קצר ולהשית קנס על הצרכן הפוגע. בארצות הברית, למשל, כאשר חברת חשמל מזהה חבלה במונה היא רשאית לגבות תעריף גבוה במיוחד בשם " tampering tariff" עד לתיקון הפגיעה.

שיטה נפוצה של חבלה במונים אלקטרו-מכניים היא הדבקת מגנטים בחלק החיצוני של המונה. מגנטים אלה מאיטים או עוצרים את סיבוב הדיסקית במונה. שיטה נוספת היא שימוש מוגבר בזרם ישר, הפוגע בפעילות סלילי ההשראה במונה ומאיט את סיבובי הדיסקית. מוני חשמל מודרניים, הן אלקטרו-מכניים והן אלקטרוניים, מסוגלים לזהות חבלות כאלה ולתקן את המדידות בהתאם. המונים אף מעבירים התראה על חבלה לחברת החשמל. בדגמים רבים מותקנים גם חיישנים המזהים פתיחת כיסוי המונה, מדידות אנומליות של הרכיבים המגנטיים, תקלות בלחצנים, התקנה הפוכה, ותקלות נוספות במונה, בין אם כתוצאה מחבלה או מתקלה.

לרוב חבלות במוני החשמל נעשות על ידי צרכנים פרטיים הצורכים כמות גבוהה במיוחד של חשמל. צריכה כזו מאפיינת גידולי מריחואנה בלתי-חוקיים בדירות מגורים, פעולה הדורשת הפעלת תאורה רבה במשך כל שעות היממה. יחידות משטרה בארצות הברית הצליחו לגלות גידולים מסוג זה על ידי בדיקת חשבונות חשמל גבוהים במיוחד, וכתוצאה מכך המגדלים מנסים לרוב לגנוב חשמל כדי להסתיר את פעילותם.

צרכנים פרטיים נוספים הצורכים כמות גבוהה במיוחד של חשמל הם האקרים וכורי ביטקוין.

קישורים חיצוניים

איך קוראים מונה חשמל? באתר B144

הערות שוליים

מכשירי מדידה חשמליים