日本國鐵ED77型電力機車

ED77型電力機車是日本國有鐵道的交流電力機車車型之一，適用於供電制式為20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路。發展歷史.原型車.1960年代中期，作為日本國鐵標準型交流電力機車的ED75型電力機車已經投入批次生產，並開始在常磐線及東北本線等主要幹線投入運用。因應東北地方部分軸重限制較低的支線鐵路的運輸需要，日本國鐵決定在ED75型電力機車的基礎上，開發研製一種軸重較輕的新型交流電力機車。1965年，日立製作所成功試製了首臺原型車，稱之為ED93型電力機車。從1960年代起，隨著電力電子技術在牽引傳動領域的快速發展，世界上已經出現了以可控矽整流器取代調壓開關和矽整流器的趨勢，閘流體相控調壓的交—直流電傳動電力機車也漸趨成熟。在此背景之下，ED93型電力機車成為日本第一種閘流體相控電力機車，採用閘流體四段半控橋式整流電路，實現了機車主電路和控制電路的無觸點化，並提高了電力機車的粘著牽引效能。為適應線路條件較差的支線鐵路，ED93型電力機車還採用了Bo-2-Bo軸式，無動力的中間轉向架具有可變軸重功能。另外，由於東北地方的冬季嚴寒環境，ED93型電力機車亦特別加強了防寒防雪效能。ED93 1號機車出廠後首先配屬於作並機關區，並在仙山線、東北本線進行效能試驗。1966年1月，開始在仙山線進行牽引試驗，擔當仙台至作並間客貨列車的牽引任務。1968年3月30日，該原型車在郡山工廠按量產車的標準進行了改造，改造內容包括加裝車端貫通門及重聯控制系統等。完成改造後該機車改稱為ED77 901號機車，並與其他量產車共同運用。量產車.1967年，根據ED93 1號機車的試驗結果，正式定型為ED77型電力機車並投入批次生產，當年由日立製作所、三菱電機、三菱重工業、東芝公司共製造了首批14臺機車。與原型車相比，量產車的車端中央部分加裝了貫通門，還增設了KE77型電氣聯結器和總風管等重聯控制裝置；機車長度由原來的15000毫米延長至15800毫米，並改善了機械室內高壓電器裝置的佈置方式。1970年，三菱電機、三菱重工業生產了最後一臺ED77型電力機車，除了改為使用MT52A型牽引電動機外，亦改進了空氣壓縮機、制動閥和前窗玻璃發熱線的設計。運用歷史.1967年2月，磐越西線郡山至喜多方區段完成交流電氣化，ED77型電力機車亦開始在該線正式投入運用。雖然全部ED77型電力機車均配屬於福島機關區，但通常由支配運用和管理，福島機關區則負責對機車的檢修維護。當時，日本國鐵還曾經考慮在仙山線和田澤湖線投入ED77型電力機車，但後來仙山線開始使用與奧羽本線直通執行的ED78型電力機車，而田澤湖線的定期貨物列車全部停運後，再配屬交流電力機車已無任何意義，因此臨時貨物列車只使用DE10型柴油機車牽引，線路強化改造後則改用ED75型電力機車。1986年，901號原型車首先除籍報廢。1987年2月，1～8號機車也正式報廢。1987年4月，國鐵分割民營化後，東日本旅客鐵道。隨著磐越西線對線路建築進行強化改造，使ED75型電力機車也能夠投入該線運用，最終所有ED77型電力機車於1993年停運報廢。技術特點.總體佈置.司機室.ED77型電力機車是客貨運通用的交流電力機車，適用於供電制式為20千伏50赫茲的工頻單相交流電氣化鐵路。車體兩端各設有一個司機室，司機室內機車執行方向的左側設有司機操縱檯，右側設有副司機座席及手制動手柄，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門，司機室上方車頂裝有兩盞式前照燈。原型車的兩端採用非貫通形式，並裝有大面積前窗玻璃以改善司機的瞭望視野。因應機車重聯運用的需要，量產車改為採用貫通型的車端結構，司機室前端中央設有貫通門，以便乘務人員透過到另一臺機車。機械室.為了方便司機和檢修人員的操縱和維護工作，ED77型電力機車儘可能採用與ED75型電力機車相同的裝置佈置方式。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，其中重量最大的主變壓器安置於中央位置，一端方向設有牽引電動機通風機、旋轉式劈相機、交流濾波器、控制電器等裝置，二端方向設有可控矽整流器、電動空氣壓縮機、勵磁電阻器等裝置，機械室內設有貫通式雙側內走廊連線兩端司機室。車體下方除了有三臺轉向架之外，還吊裝著兩個總風缸。為了提高機車的防雪防寒效能，車頂上的高速斷路器、避雷器等高壓電氣裝置改為安裝在車體內部，外接的高壓裝置只有兩臺PS101型雙臂式受電弓。此外，ED77型電力機車的通風系統也和ED75型電力機車有所不同，車身兩側各設有五個通風百葉窗和採光玻璃窗，主變壓器和整流裝置等主要電氣裝置的冷卻空氣均取自車內，夏季時從機械室內吸入冷風后經車頂通風口排出熱風，而冬季時則關閉車頂通風口並改為室內迴圈方式，以改善室內保溫效能和減少車外冷風吸入量。車體結構.ED77型電力機車採用輕量化整體承載式全鋼焊接結構箱型車體，車體全長14,200毫米，全寬2,800毫米。除了車體長度延長及室內迴圈冷卻外，車體結構與ED75型電力機車基本相同。電氣系統.主電路.ED77型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車，機車主電路由空氣斷路器、主變壓器、整流器、牽引電動機、平波電抗器、電路保護裝置等部分組成。機車從架空接觸網獲取高壓交流電，首先由主變壓器降低電壓，再透過可控矽整流器轉換成脈流電，然後供電給四臺並聯的牽引電動機。ED77型電力機車採用了閘流體相位控制的調壓方式，取代了ED75型電力機車的磁放大器級間相控調壓。考慮到功率因數和諧波干擾的因素，採用了閘流體四段半控橋式整流電路，整流器由反並聯連線的閘流體和二極體組成整流橋，利用相位控制直接進行無級調壓，不僅提高了電力機車的粘著牽引效能，還可以取消笨重的有觸點式調壓開關。控制系統.為了起動平穩和有效利用粘著重量，機車採用了單閉環恆壓控制系統輸出的基準訊號電壓進行比較，如果負載電壓與基準電壓不同則產生一個偏差訊號，使移相器發出一個相位與基準電壓有一定函式關係的脈衝訊號，以此來觸發閘流體和改變控制角大小。主變壓器.機車裝用一臺TM916型芯式單相主變壓器，冷卻方式為強迫油迴圈導向風冷卻，額定容量為2290千伏安，變壓器次邊有三個繞組，包括一個向主電路供電的牽引繞組、一個向輔助系統供電的輔助繞組及一個向旅客列車供電的供電繞組。主變壓器和平波電抗器採用一體化結構，安裝在同一個油箱內並共用一組冷卻系統，減少了電氣裝置的體積和重量。整流裝置.整流裝置採用RS905型可控矽整流器，冷卻方式為強迫通風冷卻，額定功率為2400千瓦，額定整流電壓為1200伏特，額定電流為2000安倍；全車共使用256個半導體元件，包括160個DJ16型矽二極體。牽引電動機.每個兩端轉向架安裝兩臺MT52型四極串勵直流牽引電動機，小時功率為475千瓦，持續功率為425千瓦，額定電壓為900伏特，定子繞組採用環氧樹脂浸漬絕緣以提高絕緣及耐熱效能。牽引電動機迴路串接有平波電抗器，以減少整流電流的脈動成分和改善電動機的換向效能。為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引電動機使用一級磁場削弱，削弱率可達60%。電氣供暖.和ED75型電力機車一樣，ED77型電力機車亦設有列車供電系統，能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置直接供電，由主變壓器的供電繞組向列車輸出1498伏特單相交流電，額定容量為380千伏安，司機室側門旁邊並裝有一盞供電狀態指示燈。機車兩端設有KE3型供電插座，透過供電線與列車連線。輔助電路.機車的輔助電路系統主要採用三相交流傳動。牽引電動機通風機、電動空氣壓縮機等均採用三相鼠籠式非同步電動機驅動。輔助電路系統由主變壓器輔助繞組供電，並由一臺旋轉式劈相機將單相交流電轉換成三相交流電，額定電壓為400伏特50赫茲。另外還設有一臺小型電動發電機，為控制電路、照明電路、蓄電池充電供應100伏特直流電。轉向架.機車走行部為三臺二軸轉向架，包括兩臺DT129型兩端轉向架和一臺無動力的TR103型中間轉向架。兩端轉向架.兩端轉向架與ED75型電力機車的轉向架完全相同。構架採用“日”字形的鋼板焊接結構，軸箱採用導框式定位結構，轉向架固定軸距為2500毫米。牽引電動機懸掛裝置採用軸懸式，牽引電動機的一側透過抱軸承剛性地支承在車軸上，另一側透過橡膠彈性元件懸掛在轉向架構架上，牽引電動機輸出的轉矩透過一級減速齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為4.44。轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構，車體全部重量透過四組旁承彈簧由兩臺轉向架支承。一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧，二系懸掛為構架外側的旁承彈簧，旁承彈簧採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。此外，車體和轉向架之間還設有迴轉限位裝置和抗蛇行減震器。牽引力和制動力透過“Z”字形低位斜牽引杆裝置來傳遞。牽引杆和牽引拉桿座呈對角斜對稱佈置，與連線於構架下的三角形迴轉支承和橫向連桿組成牽引杆系統，使牽引杆的牽引點交於軌面，理論上轉向架內無軸重轉移，以充分利用機車粘著重量及減少軸重轉移。基礎制動裝置為雙側閘瓦制動，每個輪對左右各設有一個制動缸，並設有制動橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設定了閘瓦間隙調整器。中間轉向架.ED77型電力機車是繼ED72型電力機車之後，第二種採用可變軸重中間轉向架的國鐵電力機車。轉向架構架採用“U”形側梁的鋼板焊接結構，固定軸距為1600毫米。中間轉向架亦採用旁承承載，中央懸掛裝置採用空氣彈簧。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置，以便機車透過曲線。為適應線路條件較差的支線鐵路牽引需要，ED77型電力機車具有軸重調整功能，透過調節中央空氣彈簧的內部壓力，改變兩端和中間轉向架的軸重分配，使動輪軸重可以根據線路條件而設定為14、15、16或16.8噸。該功能不僅擴大了機車的使用範圍，還能在牽引列車起動時採用較大的軸重，以提高粘著效能。