JR貨物EF200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，這限制了牽引重量的進一步提升。
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。
EF200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牽引逆變器和1000千瓦三相異步牽引馬達。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。EF200型電力機車還採用了16位元微機控制系統，具有恆速運轉控制、防空轉再粘著控制、軸重轉移補償等功能。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。

原型車

1990年6月，EF200型電力機車的首台原型車（901）在日立製作所水戶工廠落成，同年7月配屬JR貨物新鶴見機關區，並投入東海道本線和山陽本線開始進行各項性能確認試驗，至1991年初已完成全部性能試驗。在山陽本線瀨野至八本松間（「瀨野八」）陡坡區間進行的坡停起動試驗中，EF200 901號機車成功牽引1100噸列車在相當於25.3‰的大坡道上起動。
這台原型車具有一些與以後量產車不同的特點，例如在車頂設有較大型的設備外罩，司機室頂部朝向前方稍微傾斜，空調裝置進風口設置在司機室前端。此外，中間轉向架採用「Z」字形低位牽引杆裝置，牽引杆有一定的傾斜角以減少軸重轉移。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深藍色，司機室側門採用黃綠色，車體正面車燈部分採用深灰色，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。

量產車

1992年初，日立製作所開始小批量生產EF200型電力機車，至1993年總共生產了20台量產車，全部同樣配屬新鶴見機關區。
量產車根據首台原型車的試驗結果作出了一些改進，例如由於牽引逆變器的尺寸小型化，因而降低了車頂設備外罩的高度；司機室頂部改為水平平面而非向前傾斜，並調整了司機室內的設備布置，空調裝置進風口改為設置在車體下部；走行部分改為裝用FD3A型兩端轉向架和FD4A型中間轉向架，原本安裝在構架外側的單元制軔缸及停放制軔裝置改為安裝在構架內部以簡化結構，而中間轉向架則改為採用水平牽引杆。
量產車落成時所採用的車身塗裝與原型車基本相同，但車體正面車燈部分改用深藍色。

運用歷史

1992年，EF200型電力機車開始投入東海道本線及山陽本線運用，主要擔當貨櫃列車的牽引任務。然而，由於既有的牽引供電系難以承受大功率電力機車，導致EF200型電力機車無法充分發揮其牽引性能。當EF200型電力機車以全功率狀態運行時，架空電車線負載電流會達到4000安培，最大瞬時負載電流可達到4800安培，有可能超過東海道及山陽本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。
在EF200型電力機車投入運用以前，JR貨物已經考慮進一步提高牽引變電所的容量，但1990年代初日本泡沫經濟破滅後鐵路貨運量增長乏力，加上未能與擁有鐵路基礎設施的JR東海和JR西日本達成協議，因此對牽引供電設備的升級改造被迫推遲實施。因此，為了降低EF200型電力機車的耗電量及電網負荷，所有EF200型電力機車均被限制功率運行，實際牽引功率相當於EF66型電力機車的3900千瓦，架空電車線負載電流大約處於2600安培的水平。雖然在性能試驗期間曾經成功牽引1600噸列車，但後來實際營運中的最大牽引定數仍維持在1300噸。最終，JR貨物僅採購了21台EF200型電力機車，而後繼的EF210型電力機車則將小時功率大幅降低至3390千瓦。
1999年4月1日，原本配屬新鶴見機關區的EF200型電力機車，全部轉配屬至吹田機関區。2001年1月，為紀念阪神大地震後神戶市的重建工作，EF200 1號機車的車身兩側披上了美國畫家亞莉山卓·妮齊塔的插畫作品，該插畫以著名地標神戶港塔和象徵地震遇難者的向日葵少女圖案為主題，並配上「神戶感謝你」（「神戸からありがとう」）的信息。
2002年，JR貨物在日本政府的「幹線鐵道等活性化事業費補助」計劃下，開始對山陽本線進行鐵路貨物運輸擴能改造工程，以提升鐵路在中長距離貨運市場的競爭力，改造範圍包括對吹田信號場至北九州貨物總站，增加沿線五個主要牽引變電所的供電容量，以及延長其中三個車站的待避線有效長度，擴能改造工程於2007年3月正式完成。在2007年3月18日實施的運行圖調整中，山陽本線貨物列車的牽引定數從1200噸提高至1300噸，並使用EF200型電力機車作為主要牽引動力。
2008年10月，EF200 1號機車在運行途中發生司機室火災事故，並於同年11月2日回送至廣島機關區，拆除了車上可用零部件後被長期廢置，至2011年9月正式除籍報廢、2013年1月中旬解體。除此之外，從2005年起在廣島車輛所完成常規檢修的EF200型電力機車，相繼改為採用以灰色為基調的新塗裝，類似於EF210型電力機車所採用的標準塗裝，其中EF200 19號機車是首台披上新塗裝的機車。至2009年4月22日，EF200 2號機車完成常規檢修並重新投入運用後，所有舊塗裝的EF200型電力機車皆已換成新塗裝。
截至2014年2月，尚存的20台EF200型電力機車仍然配屬於吹田機關區，主要擔當東海道本線及山陽本線的貨物列車牽引任務（東京—吹田—幡生），通常與EF66、EF210型電力機車共通運用。由於日立製作所已經停止電力機車製造業務，電力機車的零部件供應亦日漸困難，部分車況較差的EF200型電力機車被報廢，並為其餘車輛提供可用的零部件。截至2017年3月1日，吹田機關區仍配屬有10台EF200型電力機車。
2017年10月，EF200型電力機車的901號原型車正式除籍退役，獲塗上舊塗裝並靜態保存於日立製作所水戶工廠。
2019年3月28日，EF200的18號機牽引貨物列車從山口縣下關市的幡生調車場到大阪府吹田市的吹田貨物總站後，退出現役行列。據JR貨物表示，EF200退役後將全數報廢。

車體結構

EF200型電力機車是幹線貨運用的大功率直流電力機車，適用於供電制式為1500伏直流電的電氣化鐵路。機車採用整體承載式全鋼焊接結構車體，車體側牆採用厚度達6毫米的耐候鋼板，提高了車體結構強度和防腐蝕性能。車體外形方面，EF200型電力機車採用了車體前端中部凸出的半流線型外形，前窗部分向後傾斜25°，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。

司機室

車體兩端各設有一個全新設計的司機室，為了適應貨物列車長距離運轉的需要，特別改善了司機室的工作環境，各項設備均根據人體工學原理來布置。司機室內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、壓力表、指示燈等儀表，以及ATS無人警惕按鈕、IC卡讀取器和一個10英寸彩色液晶顯示屏，左手邊設有制軔控制器；右手邊設有司機控制器和各種常用開關。儀表照明和各種指示燈均採用LED作為光源，司機室還設有空調和取暖裝置。

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。兩個完全相同的高壓電器櫃以機車橫向中心線兩側對稱布置，每個高壓電器櫃內裝有三個牽引逆變器和兩組制軔電阻，高壓電器櫃頂部並裝有濾波電抗器和濾波電容器。兩個高壓電器櫃之間設有電動空氣壓縮機、牽引馬達通風機、真空斷路器、輔機起動電阻。第一端司機室和高壓電器櫃之間設有牽引馬達通風機、低壓電器櫃、微機控制櫃。第二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、微機控制櫃。
由於機械室內設有單側走廊連接兩端司機室，因此只有設備側的車體側牆裝有冷卻風進風口和慣性過濾裝置，走廊側的車體側牆則設有八個採光玻璃窗。除此之外，EF200型電力機車也是繼大阪市交通局70系電聯車之後第二種採用單臂式集電弓的日本鐵路車輛，車頂安裝有兩台FPS2型單臂式集電弓，採用氣壓升弓和彈簧降弓的操作方式。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、輔助風缸和電動發電機。

牽引系統

EF200型電力機車是採用直—交流電傳動的逆變器控制電力機車，機車主電路由真空斷路器、牽引逆變器、濾波電抗器、濾波電容器、交流牽引馬達等部分組成。架空電車線的1500伏特直流電電流，經集電弓和斷路器輸入高壓電器櫃，經過六個牽引逆變器將直流電轉換成電壓和頻率可調節的三相交流電，向各自對應的六台牽引馬達供電。
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）。當時的交流傳動電力機車大多採用以轉向架分組的架控方式，直到德國的AEG 12X型電力機車面世後，軸控技術才被更廣泛地使用。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。
EF200型電力機車採用16位元微機控制系統進行全面數位化控制。防空轉系統通過檢測各軸的實際轉速，並與已作出輪徑修正的各軸轉速之最小值做持續對比，根據平均誤差判斷是否發生空轉，並自動控制各軸的逆變器輸出頻率，若出現較明顯的空轉時則進行撒砂。為了提高貨物列車平均運行速度及減少對司機控制器的操作頻次，EF200型電力機車並引入了恆速運行控制的功能。

牽引逆變器

牽引逆變器採用日立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/2000A）和一個反並聯二極體（4500V/500A）構成。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1150千伏安，冷卻方式為非氟利昂沸騰冷卻及強迫通風冷卻。

牽引馬達

EF200型電力機車裝有六台FMT2型牽引馬達，與EF500型電力機車所使用的FMT1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。FMT2型牽引馬達為鼠籠式三相六極異步馬達，小時功率達到1000千瓦，額定電壓為1100伏特，額定電流為615安培，定子線圈和電樞線圈均採用H級絕緣，冷卻方式為強迫風冷。相比EF66型電力機車使用的MT56型直流馬達，FMT2型牽引馬達的重量減輕了20%，但輸出功率提高了超過50%。

輔助電路

EF200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，電源由一台FDM1型無刷電動發電機提供，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190千伏安。機車搭載了十台FMH3010A-FFK10A型電動通風機，其中三台用來冷卻牽引馬達和牽引逆變器，四台用來冷卻制軔電阻，其餘三台用於慣性除塵通風機。此外，輔助電機還包括兩台為空氣制軔系統提供壓縮空氣的FC2000型電動空氣壓縮機，和一台為集電弓升弓提供壓縮空氣的MH99-AK18型輔助電動壓縮機（由蓄電池供電）。

制軔系統

EF200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，而牽引逆變器則變為整流器工作，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2280千瓦。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，電阻制軔可以使列車速度從120公里/小時降到約26公里/小時，當速度低於20公里/小時後才投入空氣制軔。
空氣制軔系統方面，EF200型電力機車和DF200型柴油機車一樣，是日本首次在鐵路機車上應用電控空氣制軔，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。基礎制軔裝置為單側閘瓦制軔單元，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FD3型兩端轉向架和一台FD4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，該滾動裝置由圓柱形滾子、高錳鋼板、橫向限位拉杆等組成，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。
轉向架整體結構按160公里/小時的構造速度設計。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。軸箱採用兩個無磨耗的圓筒型橡膠裝置定位結構，軸箱導杆通過其心柱固定在側樑上，轉向架固定軸距為2,600毫米。一系懸掛為兩個並列的螺旋彈簧組，布置在軸箱頂端的側梁截面內。二系旁承懸掛為兩組半球形橡膠彈簧，布置在構架側梁外側中部的旁承座上。除此之外，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。至於牽引力和制軔力的傳遞方面，兩端轉向架採用中間低位牽引斜拉杆裝置，而中間轉向架則採用「Z」字形低位牽引杆裝置。
為了改善機車高速運行時的動力學性能，EF200型電力機車採用了浮動盤式輪對空心軸彈性傳動裝置，類似於在法國廣泛應用已久的阿爾斯通式驅動裝置。牽引馬達的兩端通過吊杆支承在轉向架構架上，並在車軸上套上了一根同心的空心軸。牽引馬達通過滾柱軸承安裝在空心軸上以保證齒輪中心距不變，大齒輪（從動齒輪）固定安裝在空心軸上；空心軸的一端通過彈性元件與車輪連接，另一端同樣通過彈性元件與大齒輪連接。彈性元件由四連杆機構和浮動盤組成，並使用橡膠關節作為阻尼元件。牽引齒輪傳動比為4.69（16：75）。