JR東日本E531系電車

概要

常磐線と水戸線で運用されていた403・415系鋼製車の老朽化に伴う置き換え、および競合する首都圏新都市鉄道（つくばエクスプレス）への対策としての運転速度向上を目的に、E501系やE231系の使用実績を基に「人に優しい車両システム」をコンセプトとして開発した。
2005年に開通したつくばエクスプレスは高規格路線で全線を通し130km/h運転が可能、また160km/h対応の区間も存在し、高速運転が可能な路線であった。そのため、それに並行するJR常磐線の利用客が流れ出る懸念があったが、当時常磐線の中距離電車はE501系を使用していたが高速運転には対応できず、その対策としてJRもつくばエクスプレスと競合できる高速運転に対応した車両を開発する必要があった。そこで生まれたのがこの車両である。
2005年（平成17年）3月に最初の編成（K401編成〈基本・10両〉とK451編成〈付属・5両〉）が落成し、同月16日から公式試運転を開始し、同年7月9日のダイヤ改正から12編成90両（基本編成6本60両・付属編成6本30両）が営業運転を開始した。その後も増備が続けられ、2007年（平成19年）3月18日のダイヤ改正より上野駅発着の403系・415系・E501系の中距離電車運用をすべて置換え、普通列車と特別快速の全列車が本系列による運行となり、同時にグリーン車の営業も開始した。以降、常磐線上野駅発着の中距離電車の主力として使用されている。また、交直流電車なので取手駅以北の交流区間も走行が可能。
製造は基本・付属編成ともに最初の6編成のみ東急車輛製造と川崎重工業車両カンパニーが担当したが、2006年（平成18年）度以降は基本・付属編成ともに普通車のみJR東日本新津車両製作所で製造が行われ、グリーン車は東急車輛製造と川崎重工業車両カンパニーで製造された。2014年（平成26年）9月に基本編成10両1編成、12月に付属編成5両1編成が、2015年1月に付属編成5両2編成が総合車両製作所横浜事業所で製造された。さらに既存の415系1500番台置換え用として2016年までに3000番台を含む付属編成5両8編成が、2017年には10月にダイヤ改正で品川行きの増発が行われるのに合わせ7月に付属編成5両2編成と8月に基本編成10両3編成とが製造された。
本系列で採用された新機軸の多くは、後のE233系にも改良を加えられながら受け継がれている。

車体設備

車体は台枠の一部を除いてE231系などと同様のステンレス製である。外板は汚損防止とコストダウンの観点から腰板、幕板および妻板に80#BG材を採用したが、吹寄せ部は従来同様ダル仕上げとしている。
車体長は19,570/19,500mm（先頭車/中間車）、車体幅は2,950mm、屋根高は3,620mmとなっており、後述する衝撃吸収構造のために先頭車車体長が若干長くなっている。編成同士の連結で先頭車が中間に配置されることもあるため、連結面長は先頭車及び中間車共に20,000mmに統一されている。車体断面は拡幅車体を採用し、腰部から下を絞った裾絞り構造である。床面高さは E231 系の 1,165 mm から 1,130 mm に下げられ、ホームと乗降口の段差を小さくし、かつ低重心化を図る。車体腰部および幕板部には常磐線中距離電車のラインカラーである青の帯を巻く。
先頭形状はE231系近郊タイプと同様に踏切事故対策および視認性向上の観点から高運転台構造を採用している。E231系近郊タイプ同様に衝撃吸収構造を採用しており、大型トラックとの衝突事故時にも乗務員と乗客の安全性を確保している。このために乗務員室奥行きを広めに確保している。配色は一新され、前面部の上半分が白色となり、帯のデザインも異なっている。前照灯・尾灯についても上部の行先表示器を挟んだ左右への設置となった。
前面の LED 式行先表示器はE231系よりも横幅を拡大した一体形であり、列車番号・列車種別・路線名が3つの表示器内に表示される。側面行先表示は路線名・行先の日本語・英語ともオレンジであるほか、路線名表示中も種別表示はそのままである。また、路線名と行先の交互表示の間隔がE231系よりも長くなっている。トイレ設置車両ではトイレ近接の乗降ドア位置が前位側に600mm寄せられた。これは電動車椅子対応の大型トイレ設置によるもので、当該車両では乗降ドアの配置が左右対称ではない。新製時より車外側面には乗客への案内用に車外スピーカーを設置する。

機器構成

E231系近郊タイプの基本設計を基に、高速運用に対応するため、特急用車両のE653系（(当時の)「フレッシュひたち」用）に準じた制御・駆動系を用いる。営業最高速度はJR東日本の普通列車用車両で初の 130 km/h に上げられ、速度種別は A21 を指定する。

電源・制御機器

主変換装置は日立製作所製 のCI13である。IGBT素子による2レベルコンバータ+2レベルインバータで構成された主変換装置を搭載しており、主変換装置1基で4基の主電動機を制御する1C4M方式である。直流区間では、主変換装置のインバータ部のみ駆動させ、三相交流を出力する。
補機類の電源となる補助電源装置は、IGBT素子を使用した東洋電機製造製の静止形インバータ (SIV) SC81 を搭載する。集電装置からの直流1,500Vもしくは主変圧器三次巻線からの単相交流1,471Vを電源として、三相交流440V 60Hz（定格容量280kVA）を出力しており、基本編成に2台、付属編成に1台搭載されている。1台のSIVにはIGBT素子を使用した2レベルPWMインバータ回路で構成されたインバータが2台搭載されており、1台当たりの出力を140kVAとして、三相出力変圧器の2次側で2台を並列接続して並列運転を行っている。このシステムはSIVの負荷が分散できるとともに、1台が故障で停止しても、もう1台が運転を継続することで、列車内の編成引き通しされた三相幹線（三相交流電源）が停電とならず給電を継続できる冗長性に優れたものである。
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切替は E501 系と同一の仕様で、ATS-P 地上子を用いた自動切替である。専用地上子を設置しない路線での走行を考慮し、切替ボタンによる手動切替を併設する仕様も同一である。車内照明は直流電源方式で、デッドセクション通過時には蓄電池からの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た場合は、この限りではない）。
主電動機は三菱電機・日立製作所・東洋電機製造の3社で製作の かご形三相誘導電動機 MT75 形で、1時間定格出力は 140 kWである。240万km走行非分解を目指した軸受構造および電食を防止するために絶縁軸受を採用している。さらに低騒音化の配慮を行った結果、単体で約2dBの騒音低減を図っている。
パンタグラフは、モハE531形の前位寄り（常磐線基準で水戸・高萩方）にシングルアーム式のPS37A形を搭載する。これはE501系と同位置で、E231系とは逆位置である。
電動空気圧縮機 (CP) は E231系などと同様のスクリュー式で、新開発の MH3124-C1600SN3 形を搭載する。
ブレーキ装置は回生ブレーキ併用の電気指令式空気ブレーキで、全電気ブレーキ機能を有する。このほか、60 km/h 以上での定速制御・10 km/h 以下の低定速制御・抑速ブレーキも装備する。

台車

台車は、E653系などの特急車両用台車を基本とした軸梁式ボルスタレス台車である。形式は電動台車がDT71、付随台車のうち先頭車両前位寄りがTR255、後位寄りがTR255A、中間車両がTR255B、2階建て車両がTR255Cとしている。
台車枠は溶接構造の側はりと鋼管による横はりで構成されており、床面高さを1,130mmに低下させるために側枠の形状を変更し、枕ばね取り付け位置を引き下げた。軸梁式軸箱支持装置の構造は、軸ばねを除いて各台車共通である。車体支持装置は各台車共通とし、新設計空気ばねを取り付けた。また、高速運転に対応するため、全車にヨーダンパが設置される。
基礎ブレーキ装置は、電動台車には踏面片押しユニットブレーキを採用することで軽量化及び保守の容易化を図っている。付随台車には踏面ブレーキと1車軸あたり2枚のディスクブレーキを備える。また、付随台車のうちTR255は踏面ブレーキに駐車ブレーキ機構を備える。

その他装備

保安装置は製造当初よりATS-SN形およびATS-P形を搭載している。その後K407・K457 編成よりデジタル列車無線機器とATS-Psが新製時より設置され、ATS-Ps非搭載で落成した初期車両にも順次ATS-Psが搭載された。従来のATS-SNによる本線運転も可能である。

概説

0番台全車は勝田車両センターに配置され、2017年10月1日時点での内訳は基本10両編成26本（260両）、付属5両編成29本（145両）、合計405両である。
基本編成10両 + 付属編成5両の15両編成を基本とし、基本編成の編成番号は K401 - K426、付属編成の場合は K451 - K479である。
基本編成10両+付属編成5両の15両編成、付属編成5両+付属編成5両+付属編成5両の15両編成、付属編成5両+付属編成5両の10両編成、基本編成のみの10両編成、付属編成のみの5両編成の5パターンでの運行が可能である。2016年3月26日のダイヤ改正までは、付属編成を複数連結した列車の定期運用は存在せず、付属編成5両+付属編成5両の10両編成での運転がE501系基本編成の代替運用時にあるのみだった。
編成中の電動車 (M) と付随車 (T) の構成（MT比）は、基本編成が 4M6T 、付属編成は 2M3T である。先頭車両は貫通路をもたないため、走行中の編成間の通り抜けはできない。付属編成は複数の運用方法を有するため、車体側面の号車番号ステッカーは貼り付けしない。
2007年3月18日のダイヤ改正より、常磐線上野口中距離電車の運用は全て本系列に置き換えられた。この時点での運用区間は原則として常磐線上野駅 - 高萩駅間であった。
常磐線は上野駅 - 土浦駅間が10両・15両編成、土浦駅 - 水戸駅・勝田駅・高萩駅間は大半が10両編成での運転であるが、土浦駅 - 勝田駅間を5両編成で運転する列車が2往復ある。このうち下りの1本は基本編成を土浦駅で切り離す列車であるが、逆に上りで水戸方面から付属編成のみで運転し土浦駅で基本編成を増結するという列車はない。また、基本編成での土浦駅以北のみの運転は上りのみであったが、2017年10月14日のダイヤ改正で下りにも設定された。水戸線では過去の暫定運用時代も含め全区間で5両編成を使用している。
2010年度には、付属編成が新津車両製作所で再び新製され、K467編成が同年6月17日に、K468編成が同年7月23日に竣工した。E531系の新製は2006年11月以来の約3年半ぶりとなる。これはE501系が経年約15年を迎え、機器更新時期に達したためで機器更新期間は基本編成で2か月、付属編成で1か月程度の期間を要する。E501系とE531系は共通予備車であるため、この入場期間中に車両の運用が不足してしまうためにE501系の機器更新時の予備車確保用として製造された。
2014年（平成26年）9月に上野東京ライン開業による車両不足を補うための基本編成のK423編成が、12月のK469編成から2015年（平成27年）3月のK475編成までの415系置き換え用付属編成7編成が総合車両製作所横浜事業所で製作された。E531系の基本編成新製はK422編成以来8年ぶり（グリーン車は7年ぶり、普通車の横浜事業所での製造は東急車輛製造時代のK406編成＋K456編成以来9年ぶり）、E531系全体では付属編成のK468編成以来4年ぶりである。なお、K423編成の9号車はセミクロスシート車（サハE531形0番台）として製造された。
2015年2月より水戸線の415系運用置き換えが始まり、水戸線での定期運用が開始された。また、常磐線の415系1500番台の用も同様に置き換えが進められており、2月下旬ごろからは高萩駅 - 竜田駅間での運用（すなわち、水戸駅 - いわき駅 - 竜田駅間の系統での使用）も開始され、3月26日のダイヤ改正で置き換えが完了した。また、415系よりも本数が少ないため、水戸‐竜田間の運用本数も同時に減少し、更に2016年12月のダイヤ改正で運用本数が1往復減少した。
2015年3月14日からは上野東京ラインの開業に伴い、常磐線の一部列車が東海道線品川駅まで直通運転を開始した。これにより、E531系の運用範囲は東海道線・上野東京ライン品川駅 - 常磐線竜田駅間および水戸線へと拡大された。
2017年（平成29年）7月に常磐線系統の上野東京ライン増発による車両不足を補うために付属編成のK476編成とK477編成が、翌8月には基本編成のK424編成とK425編成とK426編成の普通車が総合車両製作所新津事業所で製作された。（グリーン車は横浜事業所での製造）E531系の基本編成新製はK423編成以来3年ぶり（普通車の新津事業所での製造は新津車両製作所時代のK468編成以来7年ぶり）、E531系0番台全体では付属編成のK475編成以来2年ぶりである。なお、今回製造分の基本編成の9号車はK423編成と同様セミクロスシート車（サハE531形0番台）として製造された。これらの編成から車内照明がLEDになった。
同年10月21日には東日本大震災により不通だった竜田駅 - 富岡駅間の運転再開に伴い、付属編成が同区間での営業運転を開始した。
また、2017年10月14日のダイヤ改正から2019年3月15日まで、夜間の大津港行きが基本編成で運転されていた。高萩駅 - 大津港駅間ではグリーン車の営業は行わなかった。
2019年に約2年ぶりにK478、K479編成が7月23日に総合製作所横浜事業所で製造された。これら編成はE235系と同様の防犯カメラが設置された。

臨時列車

臨時列車の運用事例も存在する。2005 - 2006 年度の「笠間deおさんぽ号」（笠間行き、2012年5月まで運転）、2005年以降、8月の国営ひたち海浜公園『ROCK IN JAPAN FESTIVAL』来場者の帰宅輸送用として、上り臨時快速列車（勝田発上野行き、2013年は取手行き）1本を本系列で運転している。2008年・2009年は、往路輸送用として下り臨時快速列車にも充当されている（2010年以降は下りの快速列車は運転せず）。
また2008年7月6日には勝田駅 - 大宮駅間で当系列を使用した団体臨時列車「ひまわり号」が運転された。運転前には宇都宮線で試運転も実施された。
2013年7月22日には、いわき市のいわきグリーンスタジアムで開催されたプロ野球マツダオールスターゲームに合わせた臨時普通列車「復興いわきベースボール号」に充当された。この列車では、グリーン車の営業を伴う基本編成での運転を高萩駅 - いわき駅間では初めて行った（グリーン車は指定席）。
2013年10月27日・11月3日には臨時快速列車「那須野満喫号」として、付属編成5両で南越谷駅 - 黒磯駅（10月27日）・新白河駅（11月3日）間で運転された。営業運転での武蔵野線や宇都宮線・東北本線への入線は初となった。
2014年2月1日・2日には臨時快速列車「おさんぽ川越号」として、付属編成5両で土浦 - 川越間で運転された。営業運転での川越線への入線は初となった。
2014年からGW期間中や秋の連休中、及び2015年のGWには、笠間市で開催される焼き物市などのために「笠間ひまつり号」（GW期間）・「笠間浪漫号」（秋の連休）が友部駅 - 笠間駅間で運転された。付属編成5両が使用され、「笠間ひまつり号」では両先頭車に笠間市のマスコット「いな吉」がデザインされた専用ヘッドマークが装着されていた。