国鉄415系電車
21 - 23はサヤ420形からの改造車
鋼製車と混結運転を考慮し500・700番台に準するが、軽量化(1両あたり約7.0 t )により向上する加減速力を抑えて足並みをそろえるため、主電動機の限流値を低く設定。
ステンレス車体を考慮してモハ414形の主変圧器取付位置を後位寄りに変更。
MGをブラシレス化させ容量190 kVAへ向上。交流区間での脈流対策に補助平滑リアクトルを追設。
CPは電動機を三相誘導電動機に変更して、三相交流による駆動化を実施。鋼製車ではクハ411形に容量1,000 L/minのC1000形1基搭載からトイレ付の1600番台のみへ容量2,000 L/minのC2000形1基搭載へ変更。
1978年より製造された。MM'ユニット28組56両及び、クハ411形52両・サハ411形4両で計112両のグループ。4人掛クロスシートが狭く評判も悪かったため、座席幅を930→1,040 mmに、間隔を1,420→1,490 mmとして、従来の急行形車両並に拡大を行った。いわゆるシートピッチ改善車である。客室扉間間隔寸法と窓配置を変更されたのがこの番台の大きな特徴。4両編成7本およびMM'ユニット2組4両とサハ411形4両が勝田電車区に、4両編成14本が南福岡電車区に、4両編成5本が大分電車区へそれぞれ新製配置された。
車体構造は同時期に製造されていた113系2000番台と基本的に同一である。制御車は奇数向きがトイレ無しで100番台。偶数向きはトイレ付きで200番台となっている。CPと、容量160 kVAのMGを搭載する。車内は客室荷物棚棒と、腰掛ヶ込板がステンレス化などによる無塗装化された。車体中央部の通風器は、取付位置を冷房装置から離れた位置に変更した。床下に搭載される電磁弁等やブレーキ装置を集約ユニット化。トイレの明かり窓の形状は、特急車両と同型FRP製ユニットとした。
最終増備車は、1984年にモハ415・414-127・128とサハ411-1 - 4の8両が、日立製作所笠戸事業所で製造された。本グループは、常磐線一部編成7両化や将来の15両編成化を考慮されている。当初より常磐線の新塗装で落成した。そのほか、屋上の押込式通風器と、冷房装置キセ、室内化粧板が500番台と同一となっている。
国鉄時代を中心として運用の都合から以下の急行列車(いわゆる遜色急行)へ投入された。
老朽化した401系初期車取替えと、常磐線の混雑緩和を目的として1982年より製造された。4両編成×24本の計96両のロングシート車グループで、全車が勝田電車区へ新製配置された。トイレはクハ411形偶数向き車に設置されている。その対向側はクロスシートが設置されたため600番台が区分がされた。
外観は運転室・窓配置・客室扉などの割付きは100番台から踏襲されたが、ロングシート化により定員は20 %増加。車体の経年劣化対策として屋根材を絶縁屋根布からポリウレタン系樹脂系塗屋根材に変更。腐食防止の観点から外板腰下部の約400 mmにステンレスを使用した。そのほか、客室扉部は連続溶接化され、屋上通風器はFRP製箱型に変更された。内装は当時増備されていた201系と同じく、化粧板がクリーム色、腰掛けモケットがロームブラウンの暖色系を基調とした。座席端部には袖仕切りを設置した。
ロングシートは座面高400 mm・奥行600 mmとされた。また当初は禁煙区間が上野 - 土浦間のみだったため、各車両の出入台戸袋窓下と妻部に灰皿が設置された。
台車は従来車と同じだが、ロングシート化による定員増により荷重が増加したため、枕ばね・軸ばねのばね定数を変更した。
搭載される電気機器と配置は100番台を踏襲しているが、床下のブレーキユニット箱を廃止して重量軽減を図ったほか、電動車の重量バランス均等化の観点から、従来モハ414形に搭載されていた蓄電池と付属設備をモハ415形に移設した。
21 - 23はサヤ420形からの改造車とユニットを組むためにモハ423形製造開始後に製造。
1984年から1985年にかけて、MM'ユニット23組46両と付随車16両計62両が、日立製作所笠戸事業所と日本車輌・東急車輛で製造された。全車が勝田電車区へ新製配置された。100番台最終増備車から一部設計変更がされたため新たな番台区分とされた。これは、1985年に開催されたつくば科学万博開催に向けて常磐線中電の輸送力を増強する目的から、他番台で組成される4両編成の一部を7両化し最大で15両編成の組成に対応するためと、また老朽化した401系置換え用として製造された。
前述の500番台を含め落成時公式試運転では日立製作所製が九州地区、日本車輌製が北陸本線をそれぞれ走行した。
塗装は新製時よりクリーム10号に青20号帯。車内は車端部分をロングシートとしたセミクロスシート車で、床面高さを1985年製の500番台と同様の1200 mmとしており、天井は201系と同様の平天井に変更された。室内色は100番台最終増備車や500番台同様の白とクリームを基調としたほか、主整流器は走行風を利用した自然冷却式のRS49形に変更された。
搭載される電気機器と配置は100番台を踏襲しているが、500番台とは異なり蓄電池とその付属設備をモハ414形に搭載した。サハ411形は電動発電機(MG)と電動空気圧縮機(CP)を搭載した。
すべて中間車で製造されたが、サハ411形1両がクハ411形へ改造された。
詳細は#形式間改造車を参照。
2007年3月18日のダイヤ改正で定期営業運転を終了し運用離脱。2008年7月までに全車廃車。廃番台区分のほかサハ411形は廃形式となった。
分割民営化直前に改造施工された423系の一部を除きAU75形集中式冷房装置を搭載し冷房化改造が施工されたが、工事内容を以下に示す。
各車両に冷房装置・送風ダクト・冷房配電盤の取付と後方車端部窓上に側面行先表示器設置準備工事施工ならびに冷房用三相交流電源引き通し用KE5形ジャンパ連結器を新設
制御車は偶数・奇数向きともに引き通しが両渡りから片渡り化し方向を固定した上で偶数向き車に冷房・制御回路電源用160 kVAのMGおよび付属装置を搭載するとともに乗務員室背面へ冷房総括制御盤取付ならびに後部側窓を廃止しロングシートを2人掛けに変更
主整流器をRS22A形に振替
モハ403・415・421・423各形式に搭載されていた制御回路電源用20 kVAのMGを撤去して補助変圧器を新設
制御回路用ジャンパ連結器をKE58形2基からKE76形3基へ交換
制御車の前面窓ガラスを熱線入りガラスへ交換ならびに助士席側へワイパーを新設
施工内容ならびに改造時期などで以下に示す差異がある。
制御車最前部箱型通風器はクハ401形ではグローブ型へ交換 クハ421形およびクハ411-335は箱型通風器のまま存置
勝田配置車の一部は1985年に7両編成を組成する際に401・403・415系の混成ならびに冷房車と非冷房車の混結となったため非冷房のクハ401-51・54・58・66・76へ冷房電源用160VA MG搭載ならびに運転席後位配電盤設置工事が施工された。なお、この6両はJR東日本承継後の1989年 - 1990年に車体更新と同時に冷房化改造が施工された。
1979年3月29日15時9分頃、常磐線土浦 - 神立間の鹿島街道踏切で警報機を無視して進入したダンプカーと本系列12両編成で運転されていた平(現・いわき)発上野行普通電車482Mが衝突。先頭車のクハ401-52が約70 m走行した地点で脱線し左下に転落し大破。2両目に組成されていたモハ402-1が約130 m走行した地点で脱線した。この事故でモハ402-1は同年4月14日付で、クハ401-52は同月19日付で廃車された。
事故詳細は日本の鉄道事故 (1950年から1999年)#常磐線列車衝突脱線転覆事故も参照のこと。