E501系電車（E501けいでんしゃ）は、1995年（平成7年）に登場した東日本旅客鉄道（JR東日本）の交直流通勤形電車である。

概要 
常磐線の輸送改善用として、日本初の交流直流両用の通勤形電車として製造された。209系電車を基本に設計した車両で、常磐線の交流電化区間では初の4扉車である。使用線区の性格や交流直流両用のため、209系とは装備する電装品などに違いがある。

当初は、403系・415系のほかに上野 - 取手間で運用されていた103系の置き換えも視野に入れて開発されたが、1997年に常磐線取手以北の大幅な減便がなされ、製造が終了した。

導入の経緯 
常磐線では、東京への通勤圏が取手駅からさらに牛久、土浦方面に伸び、取手以北の利用者が増え続けてきたが、取手以北は石岡市にある気象庁地磁気観測所への観測障害を避けるために交流電化となっており、当時快速電車で使用されていた4扉ロングシートの103系は直流専用のため使用できなかった。直流電化区間を北に伸ばすことは前記した理由から不可能であり、既存の403系・415系は1982年（昭和57年）以降にロングシート車である415系500番台や1500番台（ステンレス車）を導入したものの、ともに3扉車であるため、混雑時の対応には限界があった。

さらに、土浦市や牛久市の商工会議所や選出国会議員などが中心となった「県南常磐線輸送力増強期成同盟会」が常磐線「快速電車」の延伸という要望を当時の運輸省などに継続的に行っていた。これは沿線のイメージアップのために近郊形電車ではなく4扉の通勤形電車を投入して欲しいという要望であった。これらの問題を総合的に解決するために導入されたのが本形式である。

減便以外の増備停止の理由 
当時取手以北で使用されていた、403系・415系などの老朽化した3扉セミクロスシート車と比べ、E501系は4扉ロングシート車のため、ラッシュ時に混雑緩和など一定の効果はあったものの、通勤型として導入した経緯からトイレを設置しなかったことで、限定的な区間での運用に就くことになっていた。

構造 
本項では落成当時の仕様について述べる。

車体 
車体は、先頭部と台枠の一部を除いてステンレス鋼を使用した、209系と同様の軽量ステンレス構造を採用した。相違点としては、交直流両用で増える床下機器のための艤装スペースが必要になることから台車間距離を 13,300 mm から 13,800 mm に延長し、強度確保のため外板厚を 1.2 mm から 1.5 mm に変更した点である。先頭車後位の連結器はE217系と同様の衝撃吸収タイプを用いる。

車体帯は103系電車と同じ青緑1号で、腰板上部には白の帯が入っている。

客室部の側窓は209系各区分と同様、車端部を除き固定窓を用いた。2006年（平成18年）9月から10月にかけて窓を開閉可能にする改造工事が施工された。

客用扉は片側4か所に両開き式引き戸を設け、片側1か所を残して締め切ることが可能な「3/4扉閉」スイッチを装備する。1995年製の編成は営業開始後に後付け改造したが、1997年製の編成は落成時から装備している。

車内 
内装は209系と変わらないが、座席表地の配色が異なり、一般席は常磐線のラインカラーである中距離電車の青色を座面部分に、快速電車の緑色を背もたれ部分にそれぞれ採用している。

また、川崎重工業製の編成では車端部の座席脇にドア部分にある仕切りと同様のくぼみがある。つり革も209系と同一のものであるが、1997年製の編成以降は若干丸みを帯びた形状に変更された。

車内照明は直流電源による。デッドセクション通過時には自動的に蓄電池供給に切り替わるため、基本的に消灯しない（交直流切り替えが手動で行われる場合は、この限りではない）。また、電源切り替え時はドア上の電光掲示板が消灯する。製造年を示すものはシール式で全編成が和暦での表記とされている。

主要機器 

直流区間と交流区間を隔てるデッドセクションでの主回路の切り替えはATS-P地上子により自動で行われる。手動切り替えも可能である。

基本的に電動車2両に主要機器を分散搭載するM1M2ユニットを採用し、M1車（モハE501形）には主変圧器、主変換装置、集電装置といった主回路機器を、M2車（モハE500形）には主変換装置の他に補助電源装置などの補機類を搭載するが、床下機器スペースの都合上で空気圧縮機はユニット上り側の付随車（クハE500形、サハE500形）に搭載される。

制御装置はVVVFインバータを採用し、ドイツ・シーメンス製GTOサイリスタ素子によるCI3形主変換装置を採用していた。JRの在来線向け電車では唯一の採用例で、発車・停車時の磁励音は音階を奏でるような独特なものであった。また、停車時にも音階を奏でるような磁励音を出す車両は国内ではこの車両のみであった。本系列の起動加速度は2.0km/h/sである（資料によっては2.05km/h/s）。

主電動機は かご形三相誘導電動機 を用い、出力は209系の 95 kW から 120 kW に向上した。これは交流関連機器の搭載による自重増に対応するためである。最高速度120km/h を達成するため、歯車比はE217系と同じく16:97(≒1:6.06)である。

補機用の電源として、5両給電が可能な静止形インバータ（SC45、定格容量 210 kVA、AC 440 V）を5両あたり1基搭載する。補助電源装置の電源は主変圧器の3次巻線とすることが多いが、本形式の場合は主変換装置のコンバータ出力を電源としている。

空気圧縮機は209系と同様のものであるMH3096-C1600Sスクリュー式を採用する。吐き出し容量は1,600L/minである。

パンタグラフはひし形のPS29を採用した。但し後年にシングルアーム型に更新された。

台車は軸梁式の軸箱支持機構をもつボルスタレス台車で、枕ばねに空気ばねを用いたJR東日本一般形電車の標準的な仕様である。209系で採用されたDT61・TR246をベースに、自重の増加による車軸の変更、歯車比の変更による駆動装置の変更（電動台車のみ）が施されたDT61C（電動台車）およびTR246D（付随台車）を装着する。基礎ブレーキは片押し式踏面ブレーキ（ユニットブレーキ）、付随台車のみ踏面ブレーキに加えて1軸1枚のディスクブレーキを併用する。ヨーダンパは準備工事のみとしている。

編成表 

 先頭車は基本編成の10号車と付属編成の1号車は電気連結器付きで0番台であるが、基本編成の1号車と付属編成の5号車は電気連結器なしで1000番台に区分されている。
 車両重量は落成時のものである。

 MTr (Main-Transformer) ：主変圧器
 CI (Converter・Inverter) ：主変換装置（コンバータ装置+VVVFインバータ装置）
 SIV：補助電源装置（静止形インバータ）
 CP：空気圧縮機
 BT：蓄電池

改造 
 自動放送の設置
2003年（平成15年）10月より車内自動放送が導入され、2007年3月までにE531系に準じる放送に変更されるなど数度の更新が行われている。

 トイレの設置工事

全編成ともトイレは設置されていなかったが、2007年3月ダイヤ改正での運用区間変更に伴い、2006年10月 - 2007年2月にかけて基本編成の1・10号車および付属編成の1号車にバリアフリー対応トイレが設置された。循環式トイレである。

 制御装置の交換
前述の通り落成当時はシーメンス製のVVVFインバータを搭載していたが、信頼性の問題から、5両の付属編成は2007年に、10両の基本編成は2012年に東芝製IGBT素子の装置にASSY交換した。

 パンタグラフの交換
2014年（平成26年）12月から2015年（平成27年）1月にかけて全ての付属編成がシングルアーム形のPS37Aに交換されており、基本編成も2015年2月より交換工事が進められ、基本・付属編成の交換が完了した。

 方向幕のLED化

2019年3月から、K701・K752編成の行先表示器が幕式から3色LED式となった。同時に側面の行先表示器は行先に加えて路線名を表示するようになった。

車歴表 
 製造…川重：川崎重工業、東急：東急車輛製造
 配置…勝田：勝田車両センター

車歴表（E501系10両編成〈基本編成〉）
車歴表（E501系5両編成〈付属編成〉）

改造歴 

 改造所…郡山：郡山総合車両センター

トイレ設備取付工事
機器更新
パンタグラフシングルアーム化

運用

2007年3月改正まで 

1995年に基本10両編成と付属5両編成各1本が、1997年に基本10両編成と付属5両編成各3本の計60両がそれぞれ川崎重工業で10両編成が3本と5両編成が2本、東急車輛製造で10両編成が1本と5両編成が2本製造され、勝田電車区（当時）に配置された。1995年12月1日から、常磐線の上野 - 土浦間で営業運転を開始し、普通列車（取手 - 上野間は快速）のみに使用された。日中の運用は10両編成での運転だった。

上野 - 土浦間の行先表示器には2006年（平成18年）3月17日まで運転されていた通勤快速の表示は用意されていたが、2005年（平成17年）7月9日から運転を開始した特別快速はE531系限定運用とされたこともあり、用意されなかった。また、快速の表示も用意していたが、定期列車としては取手以南の快速運転区間でも通常は終着駅名を表示していた。また、土浦以北の駅名は神立、友部、水戸、勝田の表示が用意されていた。

車内の停車駅案内図は、上野 - 土浦間の普通列車の停車駅と、取手 - 北千住間の各駅停車の駅を掲示していた。この当時は、「普通」と「各駅停車」が並んで掲載されるものだった。2004年（平成16年）10月16日以降は、取手以南で「快速」と案内されることになったため、「土浦 - 取手間 普通 取手 - 上野間 快速」としたものに取り替えられた。

朝ラッシュの最混雑時間帯である土浦駅発上り6 - 7時台の列車には、2005年7月9日のダイヤ改正から運用を開始した同じ4扉車であるE531系とともにほぼ集中的に投入され、取手駅からのE231系とともに乗車位置の統一や収容力向上、および列車遅延の防止が図られた。

10両+5両の分割編成であるが、着席サービスの向上を図るため、本系列の運用列車は検査時の415系・E531系による代走も含め（営業運転開始当時を除き、後のダイヤ改正以降）終日15両編成で運転されていた。ただし、検査などで勝田車両センターに回送される際は、土浦 - 勝田間の構内有効長の関係から、10両編成と5両編成に分割して回送されていた。

予備編成がないため、取手駅以北で 120 km/h 運転可能な本系列の限定運用と403系・415系で代走可能な運用とに分けられていた。実際に検査や整備などで403系・415系が代走する際は、交流区間の各駅では代走期間と該当する時刻の4扉車が3扉車に変更される旨が表示されていた。同じ4扉車で 130 km/h 運転が可能なE531系が2005年に登場したことや転用対応の改造工事開始に伴いE531系による代走の機会が増加し、本系列は2007年2月21日を最後に常磐線土浦以南での所定運用を終了した。

2007年3月改正以降 

2007年（平成19年）3月18日のダイヤ改正後、上野駅発着の常磐線中距離列車は全列車がグリーン車を連結したE531系で運行されるようになった。それに伴い、この時点で本系列の運用区間は以下のように変更された。

基本編成
 常磐線（土浦 - 水戸 - いわき - 草野）
付属編成
 常磐線（土浦 - 水戸 - いわき）
 水戸線（小山 - 友部）
 2017年10月14日のダイヤ改正以前の本系列による日中の土浦駅始発列車は、1番線に入線させる都合上、付属編成は荒川沖駅、基本編成は佐貫駅（現在の龍ケ崎市駅）まで回送列車として乗り入れていた。2017年10月14日のダイヤ改正でこの回送は廃止され、同時に付属編成は水戸線乗り入れを除く友部以南の運用が消滅した。

基本編成と付属編成は別運用となった。車内の停車駅案内図はE531系と同じものに交換された。実際には改正に先立つ2月27日から、K752編成が水戸線および常磐線友部 - 勝田間で営業運転を開始した。行先表示器は、従来前面が黒地白文字・側面が白地黒文字の幕式のものであったが、運用区間の変更に伴い青地白文字の幕に交換された。また、同時に車内自動放送はほぼE531系に準じたものに変更された（ただし出口の案内は追加されておらず、乗り換え案内のみのままである）ほか、後に車内LEDの表示変更などの更新（駅接近時の「まもなく ○○」の表示や、運行障害情報の表示）が実施されている。

2016年3月26日のダイヤ改正において付属編成（5両）の運用が見直され、付属編成に関しては水戸線（小山 - 友部 - 勝田間）のみの運用となったが、2017年10月14日のダイヤ改正で朝の1往復のみ水戸 - いわき間での運用が復活した。その後、2018年になって水戸線内の小山 - 小田林間の交直セクションで本系列の故障が頻発したことにより、9月5日から水戸線での運用を全てE531系に変更し、本系列は水戸駅以北での常磐線のE531系付属編成の運用を置き換えるようになった。これにより、新たに草野 - 富岡間での営業運転を開始した。なお、2019年3月16日のダイヤ改正で水戸線並びにいわき - 富岡間での運用を終了した（いわき - 草野間の回送は引き続き継続）。なお、常磐線は2020年3月14日に富岡 - 浪江間が再開し全線復旧したが、本系列はE531系と異なり半自動ドア装置がないため、引き続き土浦 - いわき間のみで運用されている。

2022年4月23-24日にはももいろクローバーZのイベントに合わせ、いわき - Jヴィレッジ間の臨時快速が本系列に設定された。