交流電化
特別高圧を電動機が使用可能な電圧に下げるため、車両には重い変圧器を搭載しなければならない。また、主電動機は、直流を電源として用いる直流電動機の場合には、整流器またはサイリスタが必要であり、交流を電源として用いる誘導電動機の場合には、PWMコンバータで直流に変換した後にVVVFインバータで三相交流に変換する主変換装置が必要である。両者とも、重量のある商用電源対応の平滑リアクトルが必要であり、集電装置も高電圧対応である必要がある。したがって、車両の製作費およびメンテナンスコストが高くなり、重量も大きくなりがちである。
高額な直流直巻電動機を用いた直流電車においては短時間の最高出力は連続定格出力の4、5割増しの大きなものとなる。しかし交直両用車の場合、コストの制約・軸重制約のため、電動機の最高出力時の消費電力よりかなり容量の小さい、連続定格をやや上回る程度の変圧・整流機器となるため、最高出力は直流時をかなり下回る。
以上が交流電化の特徴であり、地上設備と車両のコストに鑑みると、需要が少ない地域の輸送や動力集中方式に適した方式と従来言われてきた。JR在来線のように交流電化と直流電化が混在する場合、交流直流両用車を使うことになり、20世紀終盤までは導入コストが高くなる傾向があった。
21世紀に入り整流機器が安価になったことにより直流電化の費用が低下したことに加え、電車化の進展やVVVFインバータ制御により直流電車の性能が向上したものの、変電所の設置間隔と消費電力の省力化は交流電化の最大の利点である。
また電力回生ブレーキの観点からは、回生電流を電源系統に戻すことができる等の要因により回生失効がおこりにくい特徴が挙げられる。小規模ではあるがこの点も直流電化に較べ交流電化のメリットである。
日本では、フランスの「アヌシィ・レポート」に強い関心を持ち、当時の国鉄総裁であった長崎惣之助がフランス国鉄のアルマン総裁を訪れて交流電化を視察しており、帰国後に小倉俊夫副総裁を委員長とする交流電化調査委員会が設立され、交流電化についての調査研究が1953年頃から開始された。調査研究の結果、戦後の全国的に電化を進める際に、地上設備の費用を抑えられる商用周波数による交流電化が有利との見通しが得られた。当初、商用周波数による交流電化が進んでいたフランスから電気機関車などを輸入する計画であったが、日本側は重電メーカが政府に国産化を働きかけ、電動機開発成功を機に輸入台数を大幅に減らしテスト機として数両の購入としたのに対し、フランス側は当初の引き合い通り継続的な車両輸入を要求して破談となり、重電業界の求める自力開発が通ったといわれている。
1955年(昭和30年)時点の交流電化調査委員会の説明では、一般送電網に流れている交流電気をどこからでも得られること、変電所は従来の1/3で済むこと、利益率は2倍以上見込まれるメリットがあり、貧乏国日本にとってはもってこいの試みとされていた。
その後、適当な線区で試験が行われることになり、列車本数が少なく、一部に直流電化区間(作並 - 山寺)との接続試験ができることから、1955年(昭和30年)に仙山線の北仙台 - 作並間を試験線区として交流電化され(20 KV/50 Hz)、1957年(昭和32年)9月5日に仙台 - 作並間で営業運転が開始された。