JR貨物EF500型電力機車

開發背景

1987年國鐵分割民營化後，日本國有鐵道的貨運業務由日本貨物鐵道（JR貨物）繼承，負責經營全國性的鐵路貨物運輸業務。1980年代末的平成景氣期間，由於國內鐵路貨物運輸量的快速增長，加上面對貨運市場上各種運輸方式的激烈競爭，促使JR貨物積極提高鐵路貨物運輸能力，採取擴大貨物列車編組及提高列車平均運行速度等措施，為客戶提供快捷可靠的鐵路貨運產品方案。1990年3月全國鐵路運行圖調整，JR貨物在東海道本線組織開行1300噸貨櫃列車，將列車編組從以往的24輛擴大至26輛，按95公里/小時的技術速度運行；同時，還制定了關於旅客列車和貨物列車站線有效長度的規定，並對新潟、郡山、秋田等四個貨運車站進行延長到發線的改造。
由於JR貨物考慮繼續增發貨櫃列車，並進一步提高貨櫃列車的最大牽引重量，因而開展了新一代大功率電力機車的開發計劃，其技術性能要求是根據貨櫃列車的兩條主要路線來制定，其中東京至大阪的牽引定額以1600噸為目標（最大坡度10‰），而東京至北海道則以1000～1100噸為目標（最大坡度25‰）。當時JR貨物擁有的近600台電力機車當中，主要包括3900千瓦的EF66型直流電力機車、2550千瓦的EF65型直流電力機車和EF81型多電流制電力機車、以及1900千瓦的ED75型交流電力機車；但根據技術計算，即使使用功率最大的EF66型電力機車牽引1600噸列車，在10‰坡道上的平衡速度僅為45公里/小時，這使牽引重量的增加造成了限制。
1990年，JR貨物同時開發研製了兩款6000千瓦大功率交流傳動電力機車，其牽引功率是EF66型電力機車的1.5倍。其中，EF200型電力機車適用於1500伏特直流電氣化鐵路，計劃投入東京至大阪間使用；而EF500型電力機車適用於1500伏特直流電氣化鐵路和20千伏交流電氣化鐵路，計劃投入東京至北海道間使用。兩者均按照相同的性能指標進行設計，即最高速度為120公里/小時，當牽引1600噸列車通過10‰坡道的平衡速度可達到90公里/小時以上，並且可以牽引1600噸列車在15‰坡道上起動。
EF500型電力機車是由逆變器變頻控制的交流傳動電力機車，採用GTO牽引逆變器、1000千瓦三相異步牽引馬達和16位元微機控制系統。牽引系統的主要特點是採用了單軸控制技術，每台牽引馬達各自對應獨立的牽引逆變器， 每三個牽引逆變器組成一個逆變器單元，構成一個具有較高冗餘度的主電路。因考慮到貨物列車主要在列車密度較低的夜間運行，因此並沒有採用受直流電網條件限制的再生制軔，而是採用具有較高可靠性的電阻制軔。

運用歷史

1990年8月，EF500型電力機車的首台原型車（901）在川崎重工業兵庫工廠落成，並配屬JR貨物新鶴見機關區，投入東北本線開始進行各項性能確認試驗。這台原型車落成時所採用的嶄新塗裝參考自歐洲同類型電力機車，拋棄了以往國鐵電力機車千篇一律的標準色塗裝，其中兩端司機室部分採用紅葡萄色，車體正面車燈部分採用白色，而兩側車身的中部則採用灰白色，並且還有「INVERTER HI-TECH LOCO」的英文字體。
EF500型電力機車開始試驗後就遇到與EF200型電力機車相同的問題，主要是由於既有的牽引供電系難以承受大功率電力機車，導致機車無法充分發揮其牽引性能。當機車以全功率狀態在直流區間運行時，架空電車線負載電流有可能超過在來線牽引變電所的容量限制，而網側電壓也會出現較大幅度的下滑，影響同一供電區間內其他列車的運行。除此之外，閘流體整流器和GTO牽引逆變器也產生了較多的高次諧波電流，因而對鐵路沿線通信設備造成電磁干擾。
1990年代初日本泡沫經濟破滅後鐵路貨運量增長乏力，JR貨物不再急切需要大功率貨運電力機車，遂終止了EF500型電力機車的量產計劃。而作為唯一一台原型車的EF500 901號機車，於1994年完成性能試驗後就停止運用，並且被長期封存於長町機關區。1999年，原長町機關區和原盛岡機關區合併及成立了仙台綜合鐵道部。2002年3月29日，EF500 901號機車正式除籍報廢，隨後被回送至廣島車輛所保存。
雖然EF500型電力機車沒有投入批量生產，但在吸取其研製經驗和試驗結果的基礎上，JR貨物又先後開發了交直流兩用的EH500、EF510型電力機車。EH500型電力機車是雙節八軸的4000千瓦電力機車，用來替換東北本線的ED75型電力機車；EF510型電力機車是單節六軸的3390千瓦電力機車，用來替換日本海縱貫線和常磐線的EF81型電力機車。

司機室

EF500型電力機車是幹線貨運用的大功率多電流制電力機車，採用整體承載式全鋼焊接結構車體。車體外形與EF200型電力機車相似，採用前端中部凸出的半流線型外形，前照燈和尾燈以橫向並列方式布置在車體正面下半部兩側。車體兩端各設有一個司機室，在機車運行方向的左側設有司機操縱台，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門。司機操縱台的正中央設有速度錶、風缸壓力表、電壓錶、電流錶、狀況指示燈等儀表，以及ATS無人警惕按鈕；左手邊設有空氣制軔及電阻制軔控制器；右手邊設有司機控制器和一個10英寸彩色液晶顯示屏。

設備布置

車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，機械室內設備布置採用模組化方式。重量最大的主變壓器及空氣斷路器、電流轉換開關、主熔斷器等配套設備位於機車中部。主變壓器兩側各設一個高壓電器櫃，兩個高壓電器櫃內的設備大致相同，主要包括整流器、牽引逆變器、制軔電阻、直流斷路器等設備。第一端司機室和高壓電器櫃之間設有牽引馬達通風機、空氣制軔裝置、電動空氣壓縮機。第二端司機室和高壓電器櫃之間設有牽引馬達通風機、輔助變流器、低壓電器櫃、微機控制櫃等裝置。
EF500型電力機車的機械室內設有雙側走廊連接兩端司機室，而非EF200型電力機車的單側走廊結構，因此繼續沿用了傳統的車體自然通風方式，兩邊側牆上均裝有大型通風百葉窗、空氣濾清裝置以及八個採光玻璃窗。車頂安裝有兩台可在交流或直流電氣化區間通用的FPS1型單臂式集電弓。車體下方除了設有三台轉向架之外，還吊裝著總風缸、蓄電池和平波電抗器。

牽引系統

EF500型電力機車是採用交—直—交流電傳動的逆變器控制電力機車，機車主電路由空氣斷路器、整流器、牽引逆變器、平波電抗器、交流牽引馬達等部分組成。在交流電模式下，從架空電車線獲取的20千伏單相交流電，經集電弓和斷路器輸入主變壓器降壓後供給高壓電器櫃，首先經過兩個整流器整流成1500伏特直流電，每個整流器向三個牽引逆變器供電，將直流電轉換成電壓和頻率可調節的三相交流電並供給六台牽引馬達。在直流電模式下，架空電車線的1500伏特直流電直接向牽引逆變器供電。
EF200、EF500型電力機車是較早應用單軸控制技術的交流傳動電力機車，每台牽引馬達各自由獨立的牽引逆變器供電及控制（1C1M）。軸控方式雖然在可靠性和粘著利用上具有明顯的優勢，即使一個逆變器發生故障仍可保持六分之五的牽引動力，但防空轉和防滑行的檢測系統就更為複雜。EF500型電力機車亦是採用16位元微機控制系統進行全面數位化控制，但防空轉系統的檢測方式與EF200型電力機車有所不同，它是通過檢測各軸轉速的加速度，若果加速度超過預定值或者加加速度超過極限值，牽引逆變器則會自動調節各軸的扭矩，並且進行撒砂以恢復粘著。

主要電器

機車裝有一台FTM1型殼式單相主變壓器，冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻，額定容量為7660千伏安。整流裝置採用混合二段橋式全波整流電路，其中一段為1220伏特的閘流體全控橋，另一段為閘流體和二極體構成的710伏特半控橋；整流器採用強迫通風冷卻，額定容量為2×3735千伏安。基於製造成本和設備重量的考量，EF500型電力機車沒有應用更先進的四象限脈衝整流器，而只是採用了這種傳統的混合橋式整流電路，但亦帶來了增加電流諧波的缺點。
牽引逆變器的電路系統與EF200型電力機車大致相同，但採用了三菱製造的可關斷閘流體（GTO）作為功率控制模組。每個牽引逆變器有六個三相逆變橋臂，每一橋臂由一個GTO元件（4500V/3000A）和一個反並聯二極體（4500V/500A）構成，在直流輸入側還設有濾波器。該電壓型牽引逆變器採用脈寬調製（PWM）的變頻控制（VVVF）方式，額定輸入電壓為1500伏特，額定輸出容量為6×1150千伏安，冷卻方式為非氟利昂沸騰冷卻及強迫通風冷卻。
機車裝有六台FMT1型牽引馬達，與EF200型電力機車所使用的FMT2型牽引馬達大致相同，兩者的差異只在於額定電流和最大轉速稍有不同。FMT1型牽引馬達為鼠籠式三相六極異步馬達，小時功率為1000千瓦，額定電壓為1100伏特，額定電流為645安培，定子繞組和電樞繞組均採用H級絕緣，冷卻方式為強迫風冷。

輔助電路

EF500型電力機車採用三相交流傳動的輔助電路系統，各項輔助機械設備均採用三相鼠籠式異步馬達驅動，包括牽引馬達通風機、牽引變流裝置通風機、制軔電阻通風機、電動空氣壓縮機等。輔助電源由兩台靜止式輔助變流器（SIV）提供，功率控制模組同樣採用GTO元件，將1500伏特直流電轉換成440伏特60赫茲三相交流電，額定容量為2×150千伏安。

制軔系統

EF500型電力機車設有電阻制軔和空氣制軔系統。當使用電阻制軔時，牽引馬達變為三相交流發電機運轉，通過整流器將發出的電能整流為直流電並連接到制軔電阻，最大制軔功率為3000千瓦。機車具有電空聯合制軔的協調功能，當電阻制軔無法產生足夠制軔力時以空氣制軔補足。
空氣制軔系統方面，EF500型電力機車和EF200型電力機車、DF200型柴油機車一樣應用了電控空氣制軔，以改善貨物列車制軔的響應性能和協調控制。該系統通過電子信號傳送制軔指令，並利用電磁閥開關和電空制軔閥等裝置控制制軔缸和制軔管壓力，並且具有階段制軔、階段緩解、保壓制軔、快速充氣的功能。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔單元，並採用燒結合金作為閘瓦材質。

轉向架

機車走行部為三台二軸無搖枕轉向架，包括兩台FD1型兩端轉向架和一台FD2型中間轉向架。兩端轉向架可以互換使用，但中間轉向架由於其特殊性，不能與兩端轉向架互換。中間轉向架在二系彈簧與車體之間有一滾動裝置，使中間轉向架在機車通過曲線時，可以產生相對於車體中心線的橫向位移。牽引馬達採用軸懸式驅動方式，牽引馬達的一側通過抱軸承剛性地支承在車軸上，另一側通過吊杆懸掛在轉向架構架上，牽引馬達輸出的轉矩通過一級減速直齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為4.44（16：71）。
構架採用無端梁的「H」字形鋼板焊接結構，側梁中部焊有二系彈簧的旁承座。軸箱採用無磨耗的轉臂式定位結構，轉向架固定軸距為2,600毫米。一系懸掛為內外兩圈彈簧組成的螺旋彈簧組，布置在軸箱頂端的側梁截面內。二系旁承懸掛為空氣彈簧，布置在構架側梁外側中部的旁承座上。兩端轉向架的二系懸掛並設有垂向油壓減震器，所有轉向架均裝有一系垂向油壓減震器和抗蛇行減震器。牽引力和制軔力是通過「Z」字形布置的低位雙牽引拉杆裝置以及安裝在車體底架下面的中心銷傳遞。