日本國鐵ED78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，適用於奧羽本線和仙山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；另外，機車也必須滿足較嚴苛的軸重限制，才能夠在路線條件較差的仙山線運行。
電力制軔按照其消耗電能方式不同而分為電阻制軔和再生制軔。當時的直流電力機車主要採用電阻調壓方式，如果使用電阻制軔的話，所需要增加的制軔電阻的容量相對較小。但由於交流電力機車本身的牽引電路並沒有電阻器，為了電阻制軔而安裝大容量電阻器並不經濟。隨著電力電子技術在牽引傳動領域的快速發展，閘流體相控調壓的交—直流電傳動電力機車漸趨成熟，日本亦在1965年成功研製了相控調壓的ED93型電力機車（後來定型為ED77型電力機車）。因此，日本國鐵決定在ED93型電力機車的基礎上，開發研製帶有再生制軔的相控電力機車。

原型車

1967年2月28日，首台原型車在日立製作所落成，當時稱為ED94型電力機車（ED94 1）。機車主電路採用閘流體四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，並且實現了機車主電路和控制電路的無觸點化。Bo-2-Bo軸式的走行部與ED77型電力機車基本相同，無動力的中間轉向架並具有可變軸重功能。車鉤中心距長度為17,600毫米，運轉整備重量為80.0噸。
ED94 1號機車出廠後先後在東北本線、磐越西線、仙山線進行各種試驗，隨後與ED93 1號機車共同投入仙山線進行運用考核，擔當仙台至作並間客貨列車的牽引任務。1968年，ED78型電力機車投入批量生產後，ED94 1號機車在郡山工廠按照量產車的技術標準進行了改造，改造內容主要包括調整車內設備布置和更換重聯用電氣連接器。完成改造後被編入ED78型電力機車的序列，機車編號變更為ED78 901號。

國鐵時代

ED78型電力機車落成後均配屬福島機關區，擔當奧羽本線福島至山形間及仙山線的貨物列車和旅客列車牽引任務，包括「曙號」臥鋪特急和「津輕號」夜行急行在內的優等列車。奧羽本線完成交流電氣化初期，該線列車主要使用ED78型電力機車作為本務機車，而在福島至米澤間的板谷嶺區段則加掛EF71型電力機車作為補機。
1970年起，隨著仙山線的ED90、ED91型電力機車全部被淘汰，仙山線的列車統一採用ED78型電力機車擔當牽引任務；同時，EF71型電力機車亦開始福島至山形間的直通運轉，板谷嶺區段是否需要重聯牽引或者加掛補機主要視乎列車重量而定，ED78型電力機車單機的牽引定數為300噸（最大330噸），雙機牽引時的牽引定數為540噸，而ED78型電力機車與EF71型電力機車雙機牽引時的牽引定數可達650噸。
1970年10月，上野至青森的「曙號」臥鋪特急列車開行，為配合20系客車所採用的AREB電空軔機，所有ED78型電力機車均加裝KE72H型電氣連接器，用於向列車傳遞電空制軔信號。1986年，運用時間最長的ED78 901號機車首先報廢。1987年2月，ED78 1號機車亦在國鐵分割民營化之前報廢。

民營化後

1987年4月，國鐵分割民營化後尚存的12台ED78型電力機車（2～13）由東日本旅客鐵道（JR東日本）繼承。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。1992年7月，山形新幹線開通營運，剩餘的ED78型電力機車均投入仙山線運用，擔當普通貨物列車和臨時旅客列車的牽引任務；而EF71型電力機車因難以轉往其他地區使用而陸續報廢。
1993年，福島運轉所與福島車掌區合併成立福島運輸區，所配屬的ED78型電力機車全部轉移至仙台電車區（今仙台車輛中心）。雖然仙山線在1990年代初完成路線強化工程後容許ED75型電力機車上線運行，但由於ED78型電力機車具有再生制軔的優點，因此ED78型電力機車仍然獲得保留並在該線牽引貨物列車。1998年，隨著仙山線貨物列車全部停運，ED78 2～11號機車亦相繼報廢。而ED78 12～13號機車則用於清掃鐵路上的落葉，至2000年正式除籍報廢。

總體布置

ED78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。由於ED78型電力機車搭載了再生制軔設備，車鉤中心距長度亦延長至17,900毫米（原型車為17,600毫米）。
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，從一端至二端方向順序布置有第一輔助機械室、高壓電器室、第二輔助機械室。第一輔助機械室設有牽引馬達通風機、交流濾波器、空氣壓縮機、緊急制軔風缸等設備。高壓電器室設有主變壓器、可控矽整流器及配套裝置，包括空氣斷路器、避雷器、集電弓隔離開關等高壓電器設備。第二輔助機械室設有平波電抗器、勵磁電阻器、輔助勵磁變壓器、閘流體勵磁控制器、牽引馬達通風機、穩定電阻器、劈相機等設備。
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，還吊裝著五個總風缸和兩個諧波濾波器。車體通風系統與ED77型電力機車基本相同，車身兩側各設有六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

ED78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。
考慮到功率因數和諧波干擾的因素，以及實現再生制軔的需要，ED78型電力機車採用了閘流體四段全控橋式整流電路，使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，當90°<α<180°時工作在逆變（再生）狀態。矽控整流器由反並聯聯接的閘流體組成整流橋，當牽引工況時利用四段橋順序相位控制進行無級調壓。在使用再生制軔時，四段橋採用串聯聯接進入逆變狀態，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；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，ED78型電力機車和EF71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

牽引控制方面與ED77型電力機車相同，同樣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。司機控制器上每級位都對應著牽引馬達的某一級端電壓。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。
而再生制軔控制方面，機車可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。當司機控制器處於11位至17位，機車速度與制軔力成反比關係，勵磁電流逐步增加直到達到額定值；而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。當司機控制器處於11位以下，則保持勵磁電流為額定值，調節控制角改變逆變輸入電壓。兩種方式亦是分別利用兩套相似的閉環控制系統，每套系統均由司機控制器、給定器、比較器、補償電路、移相器、電壓（電流）反饋系統等部分組成，除了控制對象不同外工作原理大致相同。
ED78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，ED78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TM12型殼式單相主變壓器，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。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RS30型矽控整流器，冷卻方式為強迫通風冷卻，額定功率為2200千瓦，額定整流電壓為1100伏特，額定電流為2000安培，共使用192個CJ02L型閘流體（國鐵標準型號為CSI 250-10型，最大反向電壓為1000伏特，額定整流電流為250安培）。
每個兩端轉向架安裝兩台MT52型四極串勵直流牽引馬達（1～11號機車使用MT52A型，12～13號機車使用MT52B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。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（原型車使用DT129I、DT129J型，量產車使用DT129M、DT129N型）和一台無動力的TR103B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，轉向架固定軸距為2500毫米。牽引傳動裝置採用軸懸式，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）。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。
轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構，通過四組旁承彈簧支承車體重量。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。

中間轉向架

ED78型電力機車採用了與ED77型電力機車相同的可變軸重中間轉向架，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。通過調節中央空氣彈簧的內部壓力，可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。軸重調整功能不僅使機車能更好的適應路線條件較差的支線鐵路，還能夠在牽引列車起動時採用較大的軸重，以提高粘著性能。