日本國鐵EF71型電力機車

開發背景

1960年代中期，隨著奧羽本線的運輸量不斷增長，日本國有鐵道研製了帶有電阻制軔的EF64型電力機車，投入到奧羽本線福島至米澤間的直流電氣化區段運用，以替換自1951年開始使用的EF16型電力機車。1968年，日本國鐵對奧羽本線米澤至山形區段實施交流電氣化，並將福島至米澤區段改造為交流電氣化鐵路。同時，還將設有交流電氣化試驗段的仙山線全線改造為交流電氣化鐵路。
奧羽本線翻越奧羽山脈的板谷嶺路段，是在日本國內與碓冰嶺和瀬野八並稱的陡坡區間，其中有22公里的33‰連續長大坡道，且存在大量半徑約300米左右的小半徑曲線。在如此大坡度的路線上，若果列車下坡時頻繁使用踏面制軔來控制速度，閘瓦與輪箍長時間摩擦不僅造成嚴重磨耗，甚至容易造成輪箍弛緩的行車事故。因此，適用於奧羽本線的新型交流電力機車必須具有電力制軔，保障列車在下坡時的行車安全。
1967年初，日本國鐵在ED93型電力機車（後來定型為ED77型電力機車）的基礎上，成功研製了首台帶有再生制軔的ED94型電力機車（後來定型為ED78型電力機車），機車小時功率為1,900千瓦，採用了閘流體四段全控橋式整流電路，以及可變軸重中間轉向架的Bo-2-Bo軸式。為了儘可能提高奧羽本線的貨物列車牽引定數，在車鉤強度限制下的該線列車最大重量需要提高至650噸，但是即使採用ED78型電力機車雙機重聯，其牽引力亦不足以牽引列車通過板谷嶺。因此，根據雙機牽引650噸列車通過33‰上坡道、牽引馬達均衡電流不大於570安培的技術性能要求，日本國鐵在ED94型電力機車的基礎上又研製了EF71型電力機車。

生產批次

1968年，三菱電機、三菱重工業、東芝公司生產了首批11台EF71型電力機車（1～11），以滿足奧羽本線交流電氣化後的牽引需要，生產預算由昭和42年度2次債務承擔。機車主電路採用閘流體六段全控橋式整流電路，在牽引和再生制軔時分別以整流和逆變模式工作，通過恆壓控制和勵磁恆流控制系統調節牽引力或制軔力。機車採用Bo-Bo-Bo軸式，小時功率為2900千瓦，運轉整備重量為96噸。
1969年，因應奧羽本線團體專用列車增發的需要而製造了EF71 12號機車，生產預算由昭和43年度5次債務承擔。這批機車增加了防止列車自動停止裝置（ATS）被關閉的警示功能，前窗玻璃改為採用發熱線玻璃並取消了除霜器，部分輔助機械和車體下方設備的布置也經過調整。
1970年，因應「曙號」臥鋪特急列車的開行而製造了EF71 13號機車，生產預算由昭和44年度3次債務承擔。這批機車增加了列車緊急停止裝置（EB）、列車緊急防護裝置（TE）；為配合20系客車的AREB電空軔機，EF71型電力機車亦在車端排障器上方設有KE72H型電氣連接器，用於向旅客列車傳遞電空制軔信號。
1973年，由於「曙號」列車增加至每天兩對，東芝公司生產了最後兩台EF71型電力機車（14～15）。這批機車與之前相比作出了較大變化，機車上增加了4.8噸壓鐵配重，運轉整備重量增加至100.8噸，平均軸重增加至16.8噸，以提高機車的粘著性能。電氣設備方面，牽引馬達迴路和空轉檢測迴路增加了限流保護控制器，取消車載的諧波濾波器，當機車誤入直流區間時保護主電路的熔斷器亦被廢除。機車外觀方面，採用了較小型的尾燈和供電狀態指示燈，車體正面的司機室通風口亦被廢除，機車編號牌改為採用整塊金屬板樣式。

民營化後

1987年4月，國鐵分割民營化後尚存的14台EF71型電力機車由東日本旅客鐵道（JR東日本）繼承，全部配屬於福島運轉所（原福島機關區）。國鐵民營化後初期，EF71、ED78型電力機車仍然在奧羽本線運用，但由於夜行旅客列車和貨物列車逐漸被削減，EF71型電力機車一般只用於牽引通過板谷嶺路段的少數普通旅客列車，這些短編組列車通常由兩三節50系客車組成，使用大功率電力機車牽引顯然是不經濟的。
1990年8月，為配合興建福島至山形的「迷你新幹線」，奧羽本線福島至山形間開始進行軌距拓寬工程，將原本的1067毫米窄軌改造成1435毫米標準軌。同年8月31日起，福島至米澤間暫時改為單線運行，同時該線所有定期夜行列車停運。EF71型電力機車除了用於牽引上述的普通旅客列車外，亦牽引山形至漆山間的貨物列車和臨時列車，直至1991年8月26日該線列車停運為止。此後，部分EF71型電力機車轉往東北本線投入臨時運用。1992年7月，山形新幹線開通營運，EF71型電力機車因難以轉往其他地區使用而陸續報廢，至1993年全部機車除籍報廢。

總體布置

EF71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，採用輕量化整體承載式全鋼焊接結構箱型車體。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，前窗玻璃上方裝有冰柱切割板。因應機車重聯運用的需要，機車兩端採用貫通型結構，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。車頂外置的高壓設備只有兩台PS101C型雙臂式集電弓。車體下方除了有三台轉向架之外，還吊裝著總風缸和諧波濾波器。車體通風系統與ED77、ED78型電力機車基本相同，車身兩側各設有七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設備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循環方式，以改善室內保溫性能和減少車外冷風吸入量。

主電路

EF71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、牽引馬達、平波電抗器、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，首先由主變壓器降低電壓，再通過矽控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），然後供電給六台牽引馬達。
和ED78型電力機車一樣，EF71型電力機車也採用了經濟多段橋的相控整流電路，但橋段數由前者的四段全控橋增加到六段全控橋，以儘量提高功率因數和減少諧波干擾。閘流體六段全控橋式整流電路能夠在四象限運行，當0°<α（控制角）<90°時工作在整流狀態，利用六段整流橋順序移相控制進行無級調壓。當90°<α<180°時工作在逆變（再生）狀態，牽引馬達變為他勵直流發電機運轉，輸出的直流電經逆變電路轉換成交流電，向架空電車線反饋電能。使用再生制軔時並在電樞迴路接入穩定電阻器，以均勻分配各牽引馬達之間的負載。
為了彌補相控電力機車功率因數較低的弱點，EF71型電力機車和ED78型電力機車一樣，均設置了LC五次及七次諧波濾波器，但由於功率因數補償效果不理想而通常切除不用。1973年以後，奧羽本線和仙山線開始使用牽引變電所固定補償方式，並拆除了電力機車上裝載的諧波濾波器。經過這兩種機車的經驗教訓，此後日本出口的交流電力機車均採用LCR諧波濾波器，例如出口南非的7E1型電力機車和出口中國的6K型電力機車。

控制系統

EF71型電力機車的牽引和再生制軔控制系統與ED78型電力機車大致相同。牽引控制採用了單閉環恆壓控制系統（AVR），它是由司機控制器、給定器、比較器、補償電路、自動脈衝移相器（APPS）、電壓反饋系統等部分組成。而再生制軔控制方面採用了恆壓控制系統和勵磁恆流控制系統，通過改變勵磁電流或逆變器電壓，來調節所需要的制軔電流和制軔力。閘流體勵磁調節器由輔助變壓器供電，為牽引馬達提供勵磁電流。
EF71型電力機車兩端均設有兩組KE77型電氣連接器，可以和另外一台ED78、EF71型電力機車進行重聯同步控制。在技術層面而言，當無需使用再生制軔的場合，EF71型電力機車亦可以和ED75型500番台、ED77型電力機車實現重聯控制。

電器設備

機車裝用一台強迫油循環導向風冷卻的單相主變壓器，變壓器次邊有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。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1480伏特單相交流電，額定容量為380千伏安，司機室右側裝有一盞供電狀態指示燈。整流裝置採用矽控整流器，冷卻方式為強迫通風冷卻，由反並聯連接的閘流體元件組成，採用標準化的CJ02L型閘流體（國鐵標準型號為CSI 250-10型）。
每台轉向架安裝兩台MT52型四極串勵直流牽引馬達，小時功率為450千瓦，額定電壓為900伏特。六台牽引馬達採用永久「兩串三並」的聯接方式，即同一轉向架的兩台牽引馬達串聯連接，三組馬達以並聯方式連接，這種方式與全並聯聯接方式相比，雖然或會削弱了機車的防空轉性能，但可以減少閘流體數量和機車製造成本。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。

輔助電路

機車的輔助電路系統主要採用三相交流傳動。牽引馬達通風機、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繞組供電，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。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

機車走行部為三台二軸轉向架，包括兩台DT129M、DT129N型兩端轉向架和一台DT137型中間轉向架，其結構與ED75型電力機車的轉向架大致相同。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，轉向架固定軸距延長至2800毫米。牽引傳動裝置採用軸懸式，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）。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。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置，以便機車通過曲線。
轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構，通過六組旁承彈簧支承車體全部重量。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。牽引力和制軔力通過「Z」字形低位斜牽引杆裝置來傳遞。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。