日本國鐵ED77型電力機車

原型車

1960年代中期，作為日本國鐵標準型交流電力機車的ED75型電力機車已經投入批量生產，並開始在常磐線及東北本線等主要幹線投入運用。因應東北地方部分軸重限制較低的支線鐵路的運輸需要，日本國鐵決定在ED75型電力機車的基礎上，開發研製一種軸重較輕的新型交流電力機車。1965年，日立製作所成功試製了首台原型車，稱之為ED93型電力機車（ED93 1）。
從1960年代起，隨著電力電子技術在牽引傳動領域的快速發展，世界上已經出現了以可控矽整流器取代調壓開關和矽整流器的趨勢，閘流體相控調壓的交—直流電傳動電力機車也漸趨成熟。在此背景之下，ED93型電力機車成為日本第一種閘流體相控電力機車，採用閘流體四段半控橋式整流電路，實現了機車主電路和控制電路的無觸點化，並提高了電力機車的粘著牽引性能。為適應路線條件較差的支線鐵路，ED93型電力機車還採用了Bo-2-Bo軸式，無動力的中間轉向架具有可變軸重功能。另外，由於東北地方的冬季嚴寒環境，ED93型電力機車亦特別加強了防寒防雪性能。
ED93 1號機車出廠後首先配屬於作並機關區，並在仙山線、東北本線進行性能試驗。1966年1月，開始在仙山線進行牽引試驗，擔當仙台至作並間客貨列車的牽引任務。1968年3月30日，該原型車在郡山工廠（今郡山綜合車輛中心）按量產車的標準進行了改造，改造內容包括加裝車端貫通門及重聯控制系統等。完成改造後該機車改稱為ED77 901號機車，並與其他量產車共同運用。

運用歷史

1967年2月，磐越西線郡山至喜多方區段完成交流電氣化，ED77型電力機車亦開始在該線正式投入運用。雖然全部ED77型電力機車均配屬於福島機關區（今福島綜合運輸區），但通常由會津若松運輸區支配運用和管理，福島機關區則負責對機車的檢修維護。
當時，日本國鐵還曾經考慮在仙山線和田澤湖線投入ED77型電力機車，但後來仙山線開始使用與奧羽本線直通運行的ED78型電力機車，而田澤湖線的定期貨物列車全部停運後，再配屬交流電力機車已無任何意義，因此臨時貨物列車只使用DE10型柴油機車牽引，路線強化改造後則改用ED75型電力機車。
1986年，901號原型車首先除籍報廢。1987年2月，1～8號機車也正式報廢。1987年4月，國鐵分割民營化後，東日本旅客鐵道（JR東日本）繼承了其餘ED77型電力機車（9～15）。隨著磐越西線對路線建築進行強化改造，使ED75型電力機車也能夠投入該線運用，最終所有ED77型電力機車於1993年停運報廢。

司機室

ED77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，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。原型車的兩端採用非貫通形式，並裝有大面積前窗玻璃以改善司機的瞭望視野。因應機車重聯運用的需要，量產車改為採用貫通型的車端結構，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。

機械室

為了方便司機和檢修人員的操縱和維護工作，ED77型電力機車儘可能採用與ED75型電力機車相同的設備布置方式。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，其中重量最大的主變壓器安置於中央位置，一端方向設有牽引馬達通風機、旋轉式劈相機、交流濾波器、控制電器等設備，二端方向設有矽控整流器、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。車體下方除了有三台轉向架之外，還吊裝著兩個總風缸。為了提高機車的防雪防寒性能，車頂上的高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備改為安裝在車體內部，外置的高壓設備只有兩台PS101型雙臂式集電弓。
此外，ED77型電力機車的通風系統也和ED75型電力機車有所不同，車身兩側各設有五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。

車體結構

ED77型電力機車採用輕量化整體承載式全鋼焊接結構箱型車體，車體全長14,200毫米（量產車延長至15,000毫米），全寬2,800毫米。除了車體長度延長及室內循環冷卻外，車體結構與ED75型電力機車基本相同。

主電路

ED77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），然後供電給四台並聯的牽引馬達。
ED77型電力機車採用了閘流體相位控制的調壓方式，取代了ED75型電力機車的磁放大器級間相控調壓。考慮到功率因數和諧波干擾的因素，採用了閘流體四段半控橋式整流電路，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，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。

控制系統

為了起動平穩和有效利用粘著重量，機車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、自動脈衝移相器（APPS）、電壓反饋系統等部分組成，首先通過對牽引馬達迴路負載電壓的檢測，得到相應的反饋信號電壓，並與給定器（定時磁放大器）輸出的基準信號電壓進行比較，如果負載電壓與基準電壓不同則產生一個偏差信號，使移相器發出一個相位與基準電壓有一定函數關係的脈衝信號，以此來觸發閘流體和改變控制角大小。

主變壓器

機車裝用一台TM916型芯式單相主變壓器，冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻，額定容量為2290千伏安，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、一個向輔助系統供電的輔助線圈及一個向旅客列車供電的供電線圈。主變壓器和平波電抗器採用一體化結構，安裝在同一個油箱內並共用一組冷卻系統，減少了電氣裝置的體積和重量。

整流裝置

整流裝置採用RS905型矽控整流器，冷卻方式為強迫通風冷卻，額定功率為2400千瓦，額定整流電壓為1200伏特，額定電流為2000安倍；全車共使用256個半導體元件，包括160個DJ16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280安倍）和96個CJ02L型閘流體（最大反向電壓為1200伏特，額定整流電流為250安倍）。

牽引馬達

每個兩端轉向架安裝兩台MT52型四極串勵直流牽引馬達（15號機車改為使用經改良的MT52A型），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一級磁場削弱，削弱率可達60%。

電氣供暖

和ED75型電力機車一樣，ED77型電力機車亦設有列車供電系統，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1498伏特單相交流電，額定容量為380千伏安，司機室側門旁邊並裝有一盞供電狀態指示燈。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

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。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DT129型兩端轉向架和一台無動力的TR103型中間轉向架。

兩端轉向架

兩端轉向架與ED75型電力機車的轉向架完全相同。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。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及減少軸重轉移。
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

ED77型電力機車是繼ED72型電力機車之後，第二種採用可變軸重中間轉向架的國鐵電力機車。轉向架構架採用「U」形側梁的鋼板焊接結構，固定軸距為1600毫米。中間轉向架亦採用旁承承載，中央懸掛裝置採用空氣彈簧。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。
為適應路線條件較差的支線鐵路牽引需要，ED77型電力機車具有軸重調整功能，通過調節中央空氣彈簧的內部壓力，改變兩端和中間轉向架的軸重分配，使動輪軸重可以根據路線條件而設定為14、15、16或16.8噸。該功能不僅擴大了機車的使用範圍，還能在牽引列車起動時採用較大的軸重，以提高粘著性能。