日本國鐵ED75型電力機車

開發背景

1960年代初，日本國有鐵道開始對東北地方的常磐線實施交流電氣化改造。1961年至1963年間，分四個階段完成了常磐線取手至草野間的交流電氣化改造工程。為了滿足常磐線交流電氣化之後的牽引需要，日本國鐵開發研製了ED75型電力機車，作為常磐線水戶以北的主力機車。1963年12月27日，由三菱電機、三菱重工業試製的ED75 2號機車率先落成；而幾乎在同一時間，由日立製作所試製的ED75 1號機車亦在同年12月30日落成。
ED75型電力機車是客貨運通用的四軸交流電力機車，也是在總結自1950年代中期以來日本國鐵交流電力機車研製經驗的基礎上，研製而成的新一代國鐵標準型交流電力機車。因此，ED75型電力機車在設計上必須具有較廣泛的適應性，不僅需要適用於常磐線所在的東北地區，還要考慮到九州和北海道地區交流電氣化鐵路的使用需要，機車只需要變更主變壓器及少部分電氣設備，即可對應50赫茲（東北及北海道地區）或60赫茲（九州地區）的單相工頻電氣化鐵路。
ED75型電力機車不論機械部分或電氣系統，均採用了許多與其他電力機車通用的標準化形式；機械部分方面包括輕量化車體結構、旁承承載轉向架、低位對稱斜牽引拉杆、軸懸式驅動裝置等成熟技術；而電氣系統方面，牽引馬達、平波電抗器、輔助馬達等電器設備都儘量採用國鐵標準化形式。除此之外，ED75型電力機車也是第一種採用級間相控調壓的日本電力機車，使用變壓器低壓側調壓配合磁放大器相位控制，來實現牽引馬達端電壓的平滑調節，從而獲得了與閘流體相控電力機車接近的調速性能。調壓開關的控制採用無觸點控制電路。矽整流器採用日立製作所開發的標準型矽二極體元件。
機車小時功率為1900千瓦，整備重量為67.2噸，最高運轉速度為100公里/小時，起動牽引力和持續牽引力達到27,000公斤和14,100公斤，可以滿足單機牽引1200噸貨物列車（遠期1300噸）在10‰長大坡道上起動的需要，而在平直道上單機牽引550噸旅客列車（遠期600噸）的最大平衡速度可達95公里/小時。

300番台

1965年，因應鹿兒島本線久留米至熊本區段完成交流電氣化，而生產了首批10台ED75型300番台電力機車（301～310），適用於九州地區的20千伏60赫茲單相交流電氣化鐵路，作為ED73型電力機車的後繼增備機車。這批機車改為採用對應60赫茲交流電的TM11B型主變壓器，輔助機械設備的電壓亦由400伏特提高至440伏特，而其他部分則仍然與基本番台第一次量產車保持相同。
1966年10月，日本國鐵實施運行圖調整，由10000系貨車組成的高速貨物列車正式投入營運，九州地區的ED75型300番台電力機車亦相應加裝了電空制軔裝置、制軔增壓裝置，以及傳遞電空制軔信號的KE72型電氣連接器。1967年，為配合鹿兒島本線高速貨物列車增發的需要，又再新造一台ED75型300番台電力機車（311），該機車除了主變壓器外其他部分與基本番台第三次量產車（132～）保持相同，並在出廠時已配備上述的高速運轉對應設備。
需要注意的是，ED75型300番台電力機車的電空制軔裝置是基於對應牽引10000系貨車，並非完全對應20系客車的電空制軔系統，例如，制軔增壓裝置僅對機車產生作用，而無法對整列20系客車列車產生作用。然而，由於ED75型電力機車本身已設有總風管，可以滿足20系客車的空氣彈簧用風需要，因此仍然可以用來牽引20系客車，但最高運行速度限制為95公里/小時。

500番台（S型）

1966年9月，因應北海道函館本線交流電氣化的需要，三菱電機及三菱重工業試製了首台ED75型500番台電力機車（501），這也是ED75型電力機車系列之中唯一採用閘流體相位控制。這台機車吸取了此前ED93型電力機車（後來定型為ED77型電力機車）的研製經驗，兩者的機車主電路架構和設備基本相同，採用了TM12型主變壓器、RS27型矽控整流器，並改用DT129G、DT129H型轉向架，車體長度亦延長至14600毫米，比其他ED75型電力機車增加了300毫米。
考慮到北海道冬季寒冷的使用環境，機車特別加強了防寒性能。部分車頂高壓設備包括空氣斷路器和避雷器等改為安裝在車體內部，矽控整流器和平波電抗器的冷卻空氣由車體下部引進並從車頂排出，主要控制電器、空氣制軔系統以及制軔閘瓦亦加裝了電加熱器，以防止發生凍結。1968年，集電弓由PS101型改為下框架交叉式設計的PS102A型，並取消了制軔系統的絕緣變壓器和電加熱裝置。
ED75型500番台電力機車的最大特點是採用了閘流體四段半控橋式整流電路，取代了低壓側調壓開關和磁放大器相位控制方式。整流器由反並聯連接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。採用閘流體相控調壓不僅提高了電力機車的粘著牽引性能，還可以取消笨重的有觸點式調壓開關，調壓時也不會有電弧產生。然而，當時正處於對閘流體相控電力機車的早期摸索階段，對高次諧波和功率因數的問題的認識不足。ED75型500番台電力機車投入試驗後，發現閘流體相控整流電路所產生的高次諧波電流，會對鐵路沿線的通訊信號系統產生明顯的電磁干擾。
1966年11月11日，ED75 501號機車配屬札幌運轉區，並在函館本線錢函至手稻間的交流電化試驗區段開始進行各項試驗。因為上述高次諧波的技術缺陷，該型機車並未投入批量生產，但其部分技術被應用到1968年投產的ED76型500番台電力機車。由於ED75型電力機車沒有搭載為旅客列車供暖的蒸汽鍋爐，因此主要用於擔當函館本線岩見澤以北的貨物列車牽引任務，至1986年10月停運報廢。

700番台

1971年，為滿足奧羽本線秋田至青森區段完成交流電氣化後的牽引需要，開始批量生產首批ED75型700番台電力機車（701～734）。由於奧羽本線部分路段臨近日本海海岸，冬季強勁的西北季候風所帶來鹽害是一個需要考慮到的問題，因此這批機車特別加強了防寒和防腐蝕性能。部分車頂高壓設備包括斷路器和避雷器等改為安裝在車體內部，而機械室內的電氣設備亦相應小型化以確保有足夠的空間。主變壓器以ED76型500番台電力機車為基礎，並採用了單元化調壓開關和追加列車供電路線；此外，還採用了真空斷路器和真空接觸器以減輕設備重量。
1972年至1976年，因應羽越本線新津至秋田區段、奧羽本線秋田至新莊區間完成交流電氣化改造，又繼續生產了第二批ED75型700番台電力機車（735～791）。這批機車與之前一批機車大致相同，但追加了單機制軔增壓裝置。從同年生產的738號機車開始，取消了車體正面下方的司機室通風口以改善車體密封性，車體兩端的不鏽鋼飾帶被金屬漆取代以防止鹽害腐蝕，並改用下框架交叉式設計的PS103型集電弓，另外還將人體工程學的概念引入司機室，改善了司機操縱台的布置方式。

1000番台（P型）

1968年，為了提高寢台旅客列車的旅行速度，日本國鐵對所有20系客車進行制軔系統改造，通過對原本的AS空氣軔機加裝電空閥、中繼閥等電控裝置改造為AREB電空軔機，實現列車制軔系統的電控化，使列車最高運行速度由95公里/小時提高至110公里/小時。為了滿足東北本線的20系臥鋪旅客列車和10000系高速貨物列車的牽引需要，1968年至1976年間共生產了39台ED75型1000番台電力機車（1001~1039）。
這批機車設有高速運轉的對應設備，包括對應20系客車的電空制軔裝置，以及與20系客車乘務員室相連的有線電話，機車兩端加裝KE72H（電空制軔）、KE59H（有線電話）型電氣連接器，除此之外其他部分則與基本番台第三次量產車（132～146）保持相同。從1973年8月落成的1026號機車開始，在機車外觀上作出了一些改進，例如取消了機車兩端的司機室通風口及KE59H型有線電話插座，車體兩端的不鏽鋼飾帶亦被金屬漆取代，並改用新型縱列雙燈式電氣供暖狀態顯示燈。

九州地區

1965年，ED75型300番台電力機車開始配屬門司機關區，並與ED73型電力機車共同投入鹿兒島本線運用，主要擔當「藍色列車」和貨物列車的牽引任務，包括「朝風號」、「瑞穗號」、「曙號」號特急列車。1966年10月運行圖調整後，ED75型300番台機車開始牽引由10000系貨車組成的高速貨物列車，擔當門司至香椎編組站間的牽引任務。由於受到路線條件和機車軸重的限制，即使九州地區主要幹線全面實現交流電化之後，ED75型300番台機車仍然限定運用於北部九州地區（熊本以北），而帶有可變軸重中間轉向架的ED76型電力機車則擁有較大的使用範圍。
1968年10月，日本國鐵實施運行圖大範圍調整。為了提高寢台旅客列車的旅行速度，所有20系客車均改為裝用電空軔機，因此所有九州地區到發的「藍色列車」改由經過改造的ED73型1000番台電力機車牽引。至1970年代，隨著「藍色列車」逐步換型為新一代的14系客車、24系客車，ED75型300番台機車又再開始擔當「藍色列車」的牽引任務。1976年，長崎本線完成交流電氣化改造後，該線的直通列車亦開始採用ED75型300番台機車牽引。1986年3月，全數11台ED75型300番台機車正式報廢。

JR東日本

1987年4月國鐵分割民營化後，東日本旅客鐵道（JR東日本）繼承了部分後期製造的ED75型基本番台機車、少數ED75型1000番台機車和所有殘存的ED75型700番台機車，主要擔當東北地區的客車旅客列車（包括「夕鶴號」特急列車）和日本貨物鐵道（JR貨物）委託的貨物列車牽引業務。1990年代初，隨著「八甲田號」等東北本線優等列車的停運，以及701系電聯車投入普通旅客列車運用，ED75型電力機車的運用逐漸減少，而福島運轉所亦改組為福島運輸區（今福島綜合運輸區）。
為了處理這些剩餘資產，JR東日本將所有基本番台及部分1000番台機車轉售予JR貨物。然而，由於700番台機車當初是專門為羽越本線酒田以北而設計，並沒有設置誤入直流區間的主電路保護設備，因此轉往其他路線使用則較為困難，只能夠繼續由JR東日本保留並逐步報廢。此外，本來路線條件較差的磐越西線和仙山線，在1990年代中期以後通過強化路線建築，使ED75型電力機車也能夠牽引該線的臨時列車。
截至2013年11月，JR東日本尚配屬5台ED75型700番台機車，其中配屬秋田車輛中心2台（767、777）、仙台車輛中心（757、758、759）。秋田車輛中心的所屬車輛從2007年3月起脫離定期運用的行列後，主要擔當由JR貨物委託的不定期貨物列車的牽引業務，運用區段為土崎至酒田。仙台車輛中心的所屬車輛主要用於牽引仙台周邊地區的工務列車；若果「仙后座號」、「北斗星號」列車的本務列車發生故障，亦會臨時使用ED75型電力機車代替EF81型電力機車擔當牽引任務。

JR貨物

國鐵分割民營化後，日本貨物鐵道（JR貨物）繼承了大部分尚存的ED75型基本番台、1000番台電力機車。1988年，為了提高鐵路貨物的輸送能力，JR貨物還從日本國有鐵道清算事業團購置了9台基本番台機車（74、76、80、81、82、84、85、87、89），並將這批原本已除籍的車輛恢復車籍。
1990年代初，JR貨物曾經對部分ED75型電力機車披上全新試驗塗裝，其中141號機車仍使用紅色作為主色，但在車身兩側下半部各添加了一道白色帶；而122、126、1004、1005號機車的車身上半及下半部分別採用了黑色和紅色，車體兩側中央有奶油色的斜帶，這些試驗塗裝至1990年代末期相繼被撤銷。
1993年起，JR貨物開始對既有的ED75型電力機車逐步進行控制電器無觸點化改造，完成改造後機車塗裝亦相應變更，最初採用下半部白色的塗裝，通稱為「白更新色」；從2003年7月完成改造的1028號機車開始，改為採用車體裙板白色色帶的塗裝，通稱為「新更新色」。除此之外，1028號機車還在車身兩側塗上巨大的「ED75」字體。
1999年以後，原本配屬於盛岡機關區的所有ED75型電力機車，全部集中配屬於仙台綜合鐵道部（原長町機關區），主要擔當東北本線黑磯以北、常磐線水戶以北等地的貨物列車牽引任務。隨著更多的EH500型電力機車投入東北本線運用，至2009年3月運行圖調整後，ED75型電力機車不再擔當黑磯至岩沼間的牽引任務；至2010年3月運行圖調整後，ED75型電力機車在盛岡貨物總站以北的定期運用及重聯運用亦告終止。JR貨物的ED75型電力機車也曾經在奧羽本線運用，擔當盛岡貨物總站至秋田貨物站間的牽引任務，至2008年3月才被EF510型電力機車取代。
至2011年東日本大地震前，JR貨物的ED75型電力機車的運用範圍僅餘下東北本線岩沼至盛岡貨物總站間和常磐線水戶以北。由於東日本大地震造成常磐線多處中斷，原本用於常磐線的ED75型電力機車只能用於牽引仙台周邊的區間貨物列車。
截至2012年2月，JR貨物仍保有7台ED75型電力機車，包括4台基本番台（113、114、140、143）和3台1000番台（1004、1015、1034）。2012年3月17日的運行圖調整後，JR貨物的ED75型電力機車全部停運，並存放於仙台綜合鐵道部。

設備布置

ED75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（或60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，司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台，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側門，司機室上方車頂裝有兩盞密封光束燈式前照燈。因考慮到機車重聯運用的需要，機車兩端採用了貫通型結構，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。
車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，車內設備採用單元化的布置方式，其中主變壓器、調壓開關及磁放大器位於中央位置，一端方向設有牽引馬達通風機、旋轉式劈相機、控制電器等設備，二端方向設有矽整流器、電動空氣壓縮機、勵磁電阻器等設備，機械室內設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室。車頂安裝有兩台PS101型雙臂式集電弓、高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備。車體下方的兩台轉向架之間吊裝著平波電抗器、總風缸和蓄電池。

通風系統

ED75型電力機車採用車體通風系統，車身兩側各設有五個通風百葉窗和採光玻璃窗。通風百葉窗設有空氣濾清裝置，是車內設備通風冷卻的進風窗口。主要電氣設備的冷卻空氣均取自車內，主變壓器和磁放大器共用一台通風機，兩台矽整流器亦共用一台通風機，從機械室內吸入冷風后經車頂通風口排出熱風。車底的平波電抗器從機械室內吸入冷風，然後從電抗器箱體兩側排出熱風。

車體結構

ED75型電力機車的車體結構吸收了EF70、EF80型電力機車的設計經驗，採用輕量化整體承載式全鋼焊接結構箱型車體，車體全長13,500毫米，全寬2,800毫米。車體底架採用了無中梁的框架式承載結構以減輕重量，底架由側梁、端梁、枕梁等部分組成。雖然取消了底架中部貫穿全車的中梁，但為了提高車體的抗衝擊性能，因此在枕梁和端梁之間沿車鉤縱向中心線設置了一段較短的中梁，與側梁共同全部承受總縱向拉伸或壓縮力，車體鋼結構可承受超過80噸的縱向壓縮載荷。

主電路

ED75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、磁放大器、整流器、牽引馬達、電路保護裝置等部分組成。機車從架空電車線獲取高壓交流電，首先由主變壓器和磁放大器降低和調節電壓，再通過矽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），然後供電給四台並聯的牽引馬達。
ED75型電力機車主電路的最大特點，是在日本首次採用了級間相控調壓的控制方式。級間相控調壓是由以往調壓開關有級調壓（例如EF70、ED74型電力機車）向閘流體相控無級調壓（例如ED77、ED78型電力機車）過渡期間的控制方式，ED75型電力機車使用變壓器低壓側調壓配合磁放大器相位控制，來實現牽引馬達端電壓的平滑調節。
機車通過改變主變壓器次邊線圈的匝數，構成共13個大調壓級，每升一級則電壓提高96伏特；並在每個大調壓級內，利用兩個磁放大器的相位控制平滑調節輸出電壓。ED75型電力機車首次採用了LTC2型無電弧調壓開關切換器，避免切換時接觸器帶負載開斷而產生電弧，切換器包括13個調壓開關和2個轉換開關，級位轉換通過電動凸輪軸控制器進行，開關切換器的控制採用無觸點控制電路。
機車裝有兩台MA1型乾式風冷磁放大器。磁放大器實際上是一種自飽和電抗器，由兩個繞有直流控制線圈和交流負載線圈的鐵芯組成，通過改變控制電流可改變鐵芯磁通密度。由於鐵芯在磁飽和前具有高電感、高阻抗及磁飽和後具有低電感、低阻抗的特點，因此改變每個導通周期內正負半周當中飽和或非飽和狀態的持續時間就可以控制輸出電流，其工作原理和閘流體十分相似，相當於改變閘流體的導通角和控制角。

主變壓器

機車裝用一台TM11A型殼式單相主變壓器（300番台機車裝用TM11B型），冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻，並使用了輕量化的鋁製冷卻器。原邊輸入電壓為20千伏，冬季額定容量為2710千伏安（開啟列車供電），夏季額定容量為2330千伏安（關閉列車供電）。變壓器次邊有三個線圈，包括一個向主電路供電的牽引線圈（額定電壓為1248伏特，額定容量為2200千伏安）、一個向輔助系統供電的輔助線圈（額定電壓為384伏特，額定容量為130千伏安）及一個向旅客列車供電的供電線圈（額定電壓為1470伏特，額定容量為380千伏安）。由於ED75型電力機車採用低壓側調壓，無需高壓側調壓變壓器的自耦變壓線圈，因此主變壓器重量和體積亦相應減少。

矽整流器

整流裝置採用兩組矽整流器，其中一組主整流器向機車主電路供電，另一組供磁放大器復位電路使用，均採用強迫通風冷卻。主整流器使用DJ15型矽二極體（最大反向電壓為1300伏特，最大反向脈衝電壓為1600伏特，平均整流電流為200安培），由四個橋臂組成單相橋式全波整流電路，每一橋臂由十個並聯支路組成，每個支路有五個串聯連接的矽元件，每台機車共使用200個矽元件。主整流器額定功率為1836千瓦，額定整流電壓為900伏特，額定電流為2040安培。

牽引馬達

每台轉向架安裝兩台MT52型四極串勵直流牽引馬達（從101號機車開始使用經改良的MT52A型），這是日本國鐵新型直流和交流電力機車通用的標準型牽引馬達，小時功率為475千瓦，持續功率為425千瓦，額定電壓為900伏特，定子線圈採用環氧樹脂浸漬絕緣以提高絕緣及耐熱性能。牽引馬達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馬達的換向性能。為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引馬達使用二級磁場削弱，削弱率最深可達60%。

電氣供暖

ED75型電力機車設有列車供電系統，能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置直接供電，由主變壓器的供電線圈向列車輸出1470伏特單相交流電，司機室側門旁邊並裝有一盞供電狀態指示燈。列車供電系統還可以根據環境溫度對輸出電壓作三檔調節（1470伏特、1280伏特、1056伏特）。機車兩端設有KE3型供電插座，通過供電線與列車連接。

輔助電路

ED75型電力機車的輔助電路系統主要採用三相交流傳動。牽引馬達通風機、平波電抗器通風機、電動空氣壓縮機等均採用三相鼠籠式異步馬達驅動。輔助電路系統由主變壓器輔助線圈供電，並由一台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赫茲或440伏特60赫茲（300番台）。另外還設有一台小型電動發電機，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

機車走行部為兩台二軸轉向架，其中一端和二端轉向架分別為DT129A、DT129B型，其結構與ED74型電力機車所使用的DT129型轉向架基本相同，但縮短了固定軸距以減輕重量。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。牽引馬達懸掛裝置採用軸懸式，牽引馬達的一側通過抱軸承剛性地支承在車軸上，另一側通過橡膠彈性元件懸掛在轉向架構架上，牽引馬達輸出的轉矩通過一級減速齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為4.44（16：71）。
轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構，車體全部重量通過四組旁承彈簧由兩台轉向架支承。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。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔，每個輪對左右各設有一個制軔缸，並設有制軔橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設置了閘瓦間隙調整器。
和ED74型電力機車一樣，ED75型電力機車亦採用了「Z」字形低位斜牽引杆裝置來傳遞牽引力和制軔力。牽引杆和牽引拉杆座呈對角斜對稱布置，與連接於構架下的三角形迴轉支承和橫向連杆組成牽引杆系統，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。