日本國鐵ED71型電力機車

開發

1950年代，受到法國國鐵發展單相工頻交流制電氣化鐵路的成功經驗所影響，日本國有鐵道亦開始了發展交流電力牽引的計劃。1953年，日本國鐵選定了仙山線部分區段作為日本鐵路交流電化的試驗段。1954年至1957年間，三菱、日立、東芝分別試製了多種交流電力機車的原型車（ED44、ED45型電力機車），並在仙山線的20千伏50赫茲交流電化區段進行了試驗。1956年3月，日本國鐵根據仙山線的試驗結果，決定在主要幹線擴大採用單相工頻交流制的範圍。1957年，為滿足北陸本線的20千伏60赫茲交流電化的需要，成功研製了ED70型交流電力機車，標誌著日本的交流電力機車進入實用化。
1959年，日本國鐵決定對運輸量較大的東北本線黑磯以北區段實施交流電化，並開發研製一種對應20千伏50赫茲交流制的新型交流電力機車。這種機車的牽引性能需要滿足東北本線的運用條件，必須能夠單機牽引1000噸列車通過10‰的長大坡道，或雙機牽引1200噸列車通過25‰的長大坡道。因此，功率等級為1500千瓦的ED70型電力機車已不能滿足要求，有必要研製2000千瓦等級的大功率交流電力機車。

原型車

1959年4月，日立、東芝、三菱分別各試製了一台ED71型電力機車的原型車。三台機車均按照統一設計的原則，採用了一致的車體、轉向架等機械結構，但電氣系統部分包括主變壓器、整流器、控制電路等則由各製造商獨自設計，以便進行不同技術方案的比較試驗。ED71 1號機車由日立製作所試製，採用油循環強迫風冷卻的主變壓器和風冷式勵弧管整流器。ED71 2號機車由東芝公司試製，採用乾式風冷主變壓器和風冷式引燃管整流器。ED71 3號機車由新三菱重工業、三菱電機合作試製，採用油循環強迫風冷卻的主變壓器和水冷式引燃管整流器。
根據這三台原型車在東北本線黑磯至白河區段的試驗結果，日立的電氣系統技術方案被批准應用於量產車。此外，東芝的電氣系統亦獲得了不錯的評價，並且被後來的ED72、ED73型電力機車所沿用。

運用

1960年代初，新造的ED71型電力機車陸續集中配屬到福島機關區，擔當東北本線交流電化區段（黑磯—仙台）的旅客及貨物列車牽引任務。此外，ED71型電力機車還先後在1960年和1961年兩次牽引日本皇室御召列車。1964年10月，開行了上野至青森的「白鶴號」臥鋪特急列車，是為東京往東北本線方向的第一趟「藍色列車」，並由ED71型電力機車擔當黑磯至仙台間的機車交路。1965年10月，仙台至盛岡區段亦完成了交流電化改造，但由於ED71型電力機車所使用的水銀整流器在冬季有發生凍結的可能，因此運用區段僅限定於黑磯至小牛田之間，而「白鶴號」列車的牽引任務亦改由ED75型電力機車擔當。1966年，福島車站範圍內發生路堤坍塌事故，造成ED71 2號機車報廢。
此後，隨著ED75型電力機車大量投入東北本線運用，ED71型電力機車開始逐步退居二線，主要用於黑磯至仙台間牽引旅客列車。同時，由於ED71型電力機車的功率較大，因此也用來擔當福島至白石間上下行貨物列車、福島至金谷川間上行貨物列車的補機任務。1970年代末，因車體及各種設備經長年運用而漸趨老化，ED71型電力機車開始逐步分批報廢。1977年，ED71 1、3號原型車因使用時間最長而最早被報廢；翌年開始重點對一次型量產車擇劣報廢。1982年，東北新幹線通車後，東北本線的貨物列車被削減，貨物列車補機亦改由ED75型電力機車充任。同年，ED71型電力機車全部報廢。

總體布置

ED71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，車內設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室，車體中部設有第一輔助機械室、變壓器室、中央機械室、整流器室、第二輔助機械室。在司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台，在右側設有副司機座席及手制軔手柄，司機室兩側設有供乘務員乘降的車門。輔助機械室內設有牽引馬達通風機、空氣壓縮機、劈相機等輔助機電設備。變壓器室內設有主變壓器，以及配套的輔助機械及冷卻設備，均固定在車體底架之上。整流器室內設有水銀整流器及配套的控制裝置。

車體結構

ED71型電力機車採用典型的全鋼焊接結構箱型車體，車體形式和結構近似同時期的ED60、ED61型電力機車。機車車體全長13600毫米、全寬2800毫米。車頂蓋板採用鋼板壓制材料，車體中央部分上方的蓋板可以打開，方便對車內大型設備的檢修和更換。因考慮到機車重聯運用的需要，ED71型電力機車亦採用了前端貫通型的結構，司機室前端中央設有貫通門，以便乘務人員通過到另一台機車。
ED71型電力機車採用車體通風系統，側牆百葉窗是車內設備通風冷卻的主要進風窗口，除了主變壓器直接從車頂引進冷風后向車底排出熱風外，其他電氣設備的冷卻空氣均取自車內。百葉窗設有金屬絲網空氣過濾器，濾網可以從車外取出以便更換。在1、2號原型車的車體側牆上，每側設有兩扇採光用的玻璃側窗以及八個通風百葉窗，每四個百葉窗口組合為一組並成「田」字形狀。3號原型車的車體兩側設有兩扇側窗和六個通風百葉窗。投入生產的一次型量產車均採用了1、2號原型車的外觀形式。而二次型量產車的外觀形式則與ED60、ED61、EF30型電力機車相同，車體側牆上部設有一行平排的兩扇側窗和六個通風百葉窗。

電氣系統

ED71型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車，由直流串勵牽引馬達驅動。機車主電路由空氣斷路器、主變壓器、水銀整流器、調壓開關、牽引馬達、電路保護裝置等組成。機車從架空電車線獲取高壓交流電後，首先經過主變壓器降低電壓，再通過整流器轉換成脈流電（即方向不變而只有電壓變化的直流電），並供電給牽引馬達。

變壓器

機車裝用一台MT1型芯式單相主變壓器，原邊輸入電壓範圍為16～22千伏，變壓器次邊有四個繞組，包括兩個向整流器供電的牽引繞組（額定電壓為2×1075伏特，額定容量為3320千伏安）、一個向輔助系統供電的輔助繞組（額定電壓為465伏特，額定容量為146千伏安）及一個向旅客列車供電的供電繞組（額定電壓為1570伏特，額定容量為410千伏安），冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻，變壓器重量為7390公斤（不含調壓開關部分）。

整流器

整流裝置採用RM1型水銀整流器，是在ED45 21號機車的基礎上改良而成。整流器採用由八個勵弧管組成的單相全波整流電路，勵弧管直徑為310毫米，整流器額定功率為2046千瓦，額定整流電壓為660伏特，額定整流電流為4×775安培，整流器重量為2750公斤。整流裝置具有較充裕的過載性能，最高整流電壓為900伏特，最高整流電流可達到額定值的130～160%，可以滿足當粘著係數為0.4時達到1140安培的起動電流，或雙機牽引1200噸通過25‰大坡道時達到880安培的平均電流等高負荷狀況。
雖然勵弧管整流器的故障率不高，但存在維護保養較困難的缺點。1970年以後，部分ED71型電力機車在郡山工廠（今郡山綜合車輛中心）進行了改造，以矽整流器取代了勵弧管整流器，但由於矽整流器是不可控整流電路，因此改用矽整流器的電力機車亦失去了柵極相位控制功能。

牽引馬達

ED71 3號原型車安裝有四台新開發的MT101型六極串勵直流牽引馬達，至今仍然是日本交流電力機車所使用功率最大的直流牽引馬達，小時功率為510千瓦，持續功率為475千瓦，額定電壓為660伏特，額定電流為775安倍，額定轉速為每分鐘1140轉，四台牽引馬達全部並聯連接。該型牽引馬達是在ED70型電力機車所使用的MT100型牽引馬達的基礎上改良而成，在保持外形和尺寸大致相同的情況下使額定功率增大了27%。牽引馬達迴路串接有電感線圈及勵磁分流電阻器，以減少整流電流的脈動，並改善牽引馬達的換向性能。由於整流器具有良好的過電壓性能，因此不需要對牽引馬達使用磁場削弱，即可保證電力機車的高速運轉性能。
量產車則改為採用經進一步改良的MT101A牽引馬達，主要性能指標並無明顯變化，但將勵磁分流率由15%減少至2%，避免勵弧管逆弧時引發牽引馬達接地的故障；並加厚了主極鐵心和補極（換向極）鐵心，以改善牽引馬達過載時的換向性能；另外還強化了主動齒輪和驅動端軸承。

調速系統

ED71型電力機車使用變壓器高壓側調壓和整流器相位控制來達到調節速度的目的，但原型車和量產車的調壓系統略有不同。主變壓器原邊（高壓側）設有一個自耦調壓繞組，通過高壓側的調壓開關改變變壓器牽引繞組的抽頭及輸出電壓，組成25個調壓級（ED71 3號原型車有24個調壓級），級位轉換是利用兩組帶有伺服馬達的凸輪軸控制器和限流電阻器進行。整流器相位控制是借柵極迴路調節勵弧極和陽極電壓的相位差來改變勵弧管的勵弧時間，從而控制輸出電流的平均值。在ED71 1號原型車上，整流器相位控制設有30個調壓級位，僅限定在調速手柄10位以下低速區使用；高壓側調壓開關設有24個調壓級，當調速手柄在10位或以上時使用，兩者配合之下使機車實現共54個調壓級。
從ED71 4號量產車開始使用恆電壓控制方式（AVR控制方式），以提高電力機車的粘著性能。在平常的運轉場合中一般僅使用高壓側調壓開關來調節牽引馬達端電壓。而當遇到負荷比較大的起動場合，為了提高粘著利用率及列車起動性能，採取了調節基準電壓閉環控制系統的辦法，即調速控制器級位與牽引馬達端電壓成一定比例。當電力機車以這種方式起動時，可以利用整流器相位控制平滑提升牽引馬達端電壓，使端電壓由0伏特開始按每一級位的基準電壓逐步提高，直到達到最高基準電壓後恢復轉為使用高壓側調壓開關。在這一過程中變壓器調壓開關是不能隨意改變的，以保持整流器輸入電壓不變，因而稱之為恆電壓控制。該控制系統是以磁放大器作為負反饋放大器，根據反饋的牽引馬達端電壓和調速控制器滑動電阻值，將其與基準電壓作比較，並使差異放大到水銀整流器的點弧極相位，從而改變整流器的輸出電壓。
這種控制方式的優點是可以減少調壓過程中的電流衝擊，並使牽引力的變化較為均勻。在機車起動及加速時，可以使起動電流的變化較貼近粘著限制曲線，不僅使列車起動更加平穩，還能有效提高起動牽引力及防空轉性能。如果其中一對輪對發生空轉，會造成該軸牽引馬達的轉速及端電壓突然上升，磁放大器會將電壓差異的信號反饋到整流器，並使牽引馬達迅速恢復正常電壓。

軸重補償

當機車牽引列車起動時，由於輪周牽引力與車鉤處作用的列車阻力不在同一水平面，使前後轉向架各軸載荷發生變化，稱之為牽引力作用下的軸重轉移。和ED60型直流電力機車一樣，ED71型電力機車亦增設了軸重轉移電氣補償功能，在牽引馬達迴路中串接有勵磁分路電阻器。根據各軸粘著重量的比例，在機車起動時對各軸牽引馬達實施不同程度的磁場削弱，從而使各軸的輪周牽引力趨於一致。

防空轉保護

ED71型電力機車設有輪對防空轉保護系統，目的是提高機車粘著利用，使機車牽引性能得到充分發揮。轉向架每軸軸端設有測速發電機來檢測空轉，測速發電機接線的一端與牽引馬達相連，另一端連接到防空轉磁放大器。當空轉發生時測速發電機的電壓突然上升，磁放大器根據空轉情況接通大、小空轉繼電器，以降低該牽引馬達的供給電流，並使輪對儘快恢復粘著。

輔助電路

ED71型電力機車採用三相交流傳動的輔助電路，各種輔助設備的驅動均採用檢修方便的三相異步馬達，包括牽引馬達通風機、電動空氣壓縮機、主變壓器冷卻油泵及通風機、整流器通風機等。電源由100千伏安的旋轉式劈相機供應，將主變壓器輸出的單相交流電轉換成三相交流電。劈相機還結合了一台小型直流發電機，用於向控制電路供電。

主要結構

機車走行部為兩台二軸搖枕式轉向架。原型車採用的DT107型轉向架，其結構與ED60、ED61型直流電力機車的轉向架基本相同，轉向架構架採用「日」字形輕量化鋼板焊接結構，軸箱採用導柱式定位結構。轉向架採用全旁承支重結構，機車的車體重量通過四個旁承支座坐落在兩台轉向架上。轉向架的搖枕彈簧懸掛裝置為搖動台式，搖枕橫置於構架下部，其兩端通過旁承支座與車體連接，旁承支座位於構架側梁外側。搖枕和構架之間通過搖枕彈簧、搖枕吊杆、下心盤、中心銷連接。下心盤及中心銷不僅作為搖枕的迴轉中心，亦用來傳遞牽引力及制軔力。牽引點高度降低至距軌面334毫米，減少了機車起動時的軸重轉移。一系懸掛為軸箱側橡膠圓筒彈簧及軸箱頂螺旋彈簧，二系搖枕彈簧為每側各一個螺旋彈簧，並配有垂向油壓減震器。
由於量產車的整備重量由64噸提高到67.2噸，因此改為採用經重新設計的DT114型轉向架，以提高轉向架的承載重量。軸箱恢復使用傳統的導框式定位結構，一系懸掛為軸箱頂螺旋彈簧。轉向架仍採用全旁承支重結構，但旁承和搖動台結構有較大變化。搖枕彈簧裝置為構架外側懸掛結構，採用每側兩個並聯的搖枕圓彈簧組，並帶有垂向油壓減振器，搖枕通過四根搖枕吊杆懸掛在構架上。

傳動裝置

牽引馬達採用架懸式安裝方式，而驅動裝置採用車軸軸套式空心軸傳動。牽引馬達的全部重量都懸掛在轉向架構架上，大大減小了簧下重量，以減少牽引馬達承受從軌道傳來的振動衝擊。驅動裝置的主要特點是大齒輪（從動齒輪）由滾動軸承安裝在車軸空心軸套上，而車軸軸套用螺栓固定與牽引馬達機座相連，轉矩由大齒輪芯上的八爪彈性元件傳動車輪。傳動齒輪箱由厚度為4.5毫米的鋼板焊接而成，牽引齒輪傳動比為15：82（1：5.47）。然而，這種傳動方式有一個明顯的缺點，由於大齒輪直接通過彈性元件與車輪相連，因此無法將其置於完全封閉的齒輪箱內，經常因沙塵進入齒輪箱而造成齒輪嚙合狀態惡化，引致驅動裝置發生異常振動。
為解決上述問題，從ED71 45號機車開始的二次型量產車，改為採用較簡單的軸懸式驅動裝置。但由於MT101A型牽引馬達是根據架懸方式設計的，當改成軸懸式安裝時為了提高牽引馬達的防震性能，特別對其加裝扭杆式減震裝置，但缺點是使驅動裝置複雜化。後來，對於之前生產的原型車和一次型量產車，均將軸套式傳動裝置改造成連杆式空心軸傳動裝置，大齒輪通過兩組連杆機構驅動車輪，以提高傳動裝置的可靠性。