日本國鐵ED45型電力機車

開發背景

在第二次世界大戰之前，匈牙利和德國曾經研究在電氣化鐵路採用工頻單相交流電作為供電制式，其優點是使牽引變電所的設備大為簡化，不需要像直流電氣化鐵路那樣在變電所內設置複雜的整流裝置；由於供電電壓得到大幅提高，變電所間的距離得以大幅延長，並簡化了架空電車線的結構。但實際上單相工頻交流制直到1950年代才真正受到世界各國的重視，並得到迅速的發展。二戰結束後，法國國家鐵路公司積極進行50赫茲單相交流電氣化的研究。1950年6月，法國國鐵在艾克斯萊班-安納馬斯線（艾克斯萊班至阿訥西區段）成功建成首條採用20千伏50赫茲的電氣化鐵路試驗段，並於1953年將電壓提升至25千伏，成為當今世界上工頻交流電氣化鐵路的標準。
受到法國國鐵的成功經驗所影響，日本國有鐵道亦開始了發展交流電力牽引的計劃。1951年，日本簽訂了舊金山和平條約，正式結束了長達七年的同盟國軍事占領日本的狀態，日本國有鐵道亦得以實行自主的管理政策。1952年，日本國鐵派出首批幹部職員赴法國進行技術考察，收集交流電氣化的技術資訊。然後，根據時任國鐵總裁長崎惣之助的指示，於1953年成立了「交流電化調查委員會」，並選定了仙山線部分區段作為日本鐵路交流電化的試驗段。除此之外，委員會還研究了從法國和其他歐洲國家引進交流電力機車的可行性，最初的計劃是訂購約10台交流電力機車。但在通商產業省以扶持日本國內重電製造業為由的極力遊說下，日本國鐵最終放棄了國外進口的計劃，轉而將交流電力機車的試製任務交由國內製造商承擔。

ED44 1

1955年7月20日，日本首台交流電力機車在日立製作所水戶工廠完成試製，定型為ED44型1號機車。ED44型電力機車是交—交流電傳動的直接式交流電力機車，採用單相整流子牽引馬達。架空電車線上的高壓交流電經過主變壓器降低電壓後，無需經過中間整流環節，就可以直接供電給牽引馬達。單相整流子馬達在原理上與直流串勵馬達相似，在勵激線圈和電樞線圈之間有電刷和整流子（換向器），通過控制輸入電壓來調節馬達轉速。
在ED44型電力機車上，採用了變壓器低壓側調壓的辦法，依靠調壓開關改變主變壓器次邊（低壓側）的抽頭，來調節牽引馬達的輸入電壓，組成共14個調壓級位。機車採用油循環強迫風冷卻的單相主變壓器，額定容量為1130千伏安。四台牽引馬達固定以「兩串兩並」方式連接，以簡化主電路架構。牽引馬達為日立EFCO-H60（MT950）型單相整流子馬達，額定功率為250千瓦，額定電壓為500伏特，額定轉速為每分鐘1000轉。此外，東洋電機製造和富士電機也各試製了兩台牽引馬達，技術性能指標略優於日立產品，並曾經在ED44 1號機車上安裝試用。
機車車體與秩父鐵道Deki100型電力機車及大井川鐵道E103號電力機車相同。牽引馬達採用抱軸式懸掛，牽引馬達的一端安裝在轉向架構架上，而另一端通過抱軸承剛性抱合在車軸上。空氣壓縮機、冷卻通風機等輔助馬達均採用三相鼠籠式交流馬達驅動，由電動發電機將單相交流電轉換成三相交流電供輔助電機使用。

ED45 1

1955年9月28日，三菱電機和新三菱重工業完成試製整流器式交流電力機車的原型車，定型為ED45型1號機車。這台機車是典型的整流器式電力機車，採用交—直流電傳動，由直流串勵牽引馬達驅動。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，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。
機車採用油循環強迫風冷卻的單相主變壓器，額定容量為1520千伏安。整流裝置採用八個水冷式引燃管（水銀整流器）組成的全波整流電路。牽引馬達為四台三菱MB-3026-A（MT903）型四極串勵馬達，持續功率為250千瓦，額定電壓為500伏特，額定轉速為每分鐘1000轉。在調速控制方面，變壓器低壓側調壓部分與ED44型電力機車大致相同，即利用調壓開關改變變壓器次邊輸出電壓；另外還採用了整流器柵極電壓相位控制，使牽引馬達端電壓實現近乎平滑的調節。為了擴大機車的恆功調速範圍，可以對牽引馬達實施五級磁場削弱。
機車車體與小田急電鐵Deki1040型電力機車、大井川鐵道E101、102號電力機車相同。為了提高車載電氣設備的工作穩定性，ED45 1號機車採用了類似電聯車的轉向架結構，懸掛裝置由螺旋彈簧和鋼板彈簧組成；轉向架構架採用鋼板焊接結構，以減輕轉向架結構的重量。牽引馬達採用輪對空心軸架懸式安裝方式，將整個牽引馬達懸掛在轉向架構架上，減少牽引馬達承受從軌道傳來的振動衝擊。除上述特點外，其他部分與ED44型電力機車並無明顯差異。

試驗結果

1955年8月，仙山線陸前落合至熊根區段完成交流電氣化改造，ED44 1、ED45 1號機車先後開始進行一系列的運行試驗，至1956年3月完成地面設備及電力機車的第一次試驗項目。
試驗結果顯示，採用直接式傳動的ED44型電力機車存在著較多問題。雖然ED44型電力機車具有良好的高速性能，單相整流子馬達在高轉速範圍時仍然能保持較高的輸出扭矩，但起動和低速運轉時的性能則不如直流串勵馬達，不太適合用來牽引速度不高而頻繁啟停的列車。相比之下，ED45 1號機車的牽引性能則優秀得多。 由於整流器式電力機車採用變壓器變壓，因而牽引馬達可以全部並聯連接，可以更有效防止輪對空轉；配合整流器相位控制的平滑電壓調節，大大提高了電力機車的粘著係數。其優異的粘著性能在當時而言是一個出乎意料的發現，甚至還有「D型（四軸）交流電力機車能夠與F型（六軸）直流電力機車相匹敵」的說法。在仙山線25‰大坡度區段進行的牽引試驗中，儘管ED44 1號機車的小時功率略高於ED45 1號機車，但ED44 1號機車的牽引定數只有360噸，ED45 1號機車卻可達到600噸。
除此之外，單相整流子馬達擁有電刷和整流子，其換向性能隨交流電頻率的增高而惡化。為了得到良好的整流質量，需要降低電機整流子的電動勢，通常採用低頻電源供電為佳，因此採用單相整流子馬達的直接式交流電力機車大多使用於低頻電氣化鐵路，例如德國、瑞士、奧地利的15千伏16⅔赫茲單相交流電氣化鐵路。但由於日本當時缺乏工頻交流馬達（50赫茲）的製造經驗，在ED44型電力機車上採用了14～16極單相整流子馬達，磁極數是一般直流串勵馬達的四倍，目的是降低端子電壓及改善換向性能，但這卻導致馬達結構十分複雜，而且維護時間超乎想像。基於這些原因，表現較理想的整流器式電力機車得到了進一步的發展。

第二次試驗

根據第一次試驗的結果，日本國鐵決定再試製兩台整流器式交流電力機車作進一步試驗和比較，兩台機車分別由東芝和日立研製，並採用了各異的電氣設備。

ED45 11

1956年12月21日，東芝完成試製ED45型11號機車。該機車採用了東芝研製的新型風冷乾式主變壓器，以提高變壓器的防火性和維護性；並採用了風冷式引燃管整流器，節省了冷卻水循環系統的重量，一台整流器由四個引燃管組成。調壓系統方面，採用了無電弧調壓開關的變壓器低壓側調壓，避免有載調壓時在開斷的觸頭間引發電弧；同時，機車沒有採用整流器相位控制，反而採用了與直流電力機車相同的有級電阻調壓，導致機車的防空轉再粘著性能有一定降低。機車車體與東武鐵道ED5000型電力機車相同。轉向架結構與EH10型電力機車相同，牽引馬達採用抱軸式懸掛。輔助電機系統仍採用三相交流傳動，但三相電源改由簡化設計的旋轉式劈相機提供。

ED45 21

1957年2月，日立製作所完成試製ED45型21號機車。該機車的一個特點是以結構較穩定的勵弧管代替了引燃管，以解決機車運行時振動對引燃管工作穩定性造成不利影響的問題，並且用來與東芝的引燃管整流器作比較。整流器採用由八個勵弧管組成的單相全波整流電路，額定功率為1600千瓦，冷卻方式採用強迫風冷。
機車的另一個特點是採用變壓器高壓側調壓。機車主變壓器的額定容量為2307/3177千伏安，冷卻方式為油循環強迫風冷卻。主變壓器原邊（高壓側）設有一個自耦調壓線圈，通過高壓側的調壓開關和限流電阻改變變壓器的輸出電壓，實現多達32級的有級調壓。此外，還可以對牽引馬達施行三級磁場削弱，削弱率為72%、55%、45%。牽引馬達為日立HS-1050-Br型直流串勵馬達，額定功率為375千瓦，額定轉速為每分鐘1070轉。牽引馬達及整流器之間還接有限制電流脈動的平波電抗器，以及用來改變勵磁線圈電流的分路電阻。機車的牽引功率提高到1640千瓦。
機車車體與大阪窯業水泥伊吹工廠的伊吹500型電力機車（即後來的大井川鐵道ED500型電力機車）類似。機車走行部採用兩台全旁承支重結構的搖動台式搖枕轉向架，構架採用「日」字形鋼板焊接結構。每台機車的車體重量通過四個旁承坐落在兩台轉向架上，從而減少了機車起動時的軸重轉移。牽引馬達採用輪對空心軸架懸式安裝方式。

試驗結果

兩台機車均在仙山線的牽引試驗中取得了良好的結果。其中，ED45 21號機車在軌面濕滑的條件下，成功在25‰的坡道上起動500噸列車。此後，在三台整流器式電力機車原型車的基礎上，三菱、東芝、日立分別進一步開發了一系列更成熟的交流電力機車並投入批量生產，包括ED70型電力機車（三菱，基於ED45 1號機車）、ED72、ED73型電力機車（東芝，基於ED45 11號機車）、ED71型電力機車（日立，基於ED45 21號機車）。

運用歷史

四台原型車完成各種試驗後，於1957年3月27日進入國鐵編制並獲得了車籍，當時均配屬於仙台鐵道管理局作並機關區。1957年9月5日，仙山線仙台至作並區段完成交流電化改造，這四台機車亦正式投入運用。1959年至1961年間，這些機車都進行了技術改造，直接式電力機車追加了磁場削弱控制，而整流器式電力機車則以矽整流器取代了水銀整流器。1961年，根據新修訂的國鐵車輛形式稱號規程，ED44型電力機車改稱為ED90型電力機車，ED45型電力機車改稱為ED91型電力機車。
ED90 1號機車作為唯一一台直接式交流電力機車，由於機車的維護保養及配件供應困難，該機車自1961年以後就長期處於停運狀態，並於1966年報廢。1968年，仙山線全線完成交流電化後，三台整流器式ED91型電力機車仍然繼續運用，但亦存在著一些問題。例如，機車車齡已經超過十年，部分設備已開始出現老化；原型車的零部件供應及維護存在困難，難以確保機車得到妥善的檢修；機車並未設有蒸汽供暖或電氣供暖設備，因此在冬季牽引旅客列車時必須加掛暖房車。
與此同時，福島機關區（今福島綜合運輸區）利用新配屬的ED78型電力機車，實現了奧羽本線和仙山線的直通運轉，提高了機車運用效率並降低了運用成本。1970年，為取代仙山線的交流電力機車原型車，兩台新造的ED78型電力機車又配屬到福島機關區，此後ED91型電力機車全部停運報廢。