日本國鐵ED78型電力機車

日本的电力机车

ED78型電力機車(日语:ED78形電気機関車)是日本國有鐵道交流電力機車車型之一,适用于供电制式为20千伏50赫兹的工频单相交流电电气化铁路,由日立制作所设计及制造。首台原型车于1967年完成试制,当时称之为ED94型电力机车,也是日本国铁第一种带有再生制动的交流电力机车。

ED78(ED94)
保存在新幹線綜合車輛中心的ED78 1號機車
概览
类型电力机车
原产国 日本
生产商日立制作所
生产年份1967年—1980年
产量14台
主要用户日本 日本国有铁道
技术数据
华氏轮式0-4-4-4-0
UIC軸式Bo'2'Bo'
轨距1,067毫米
轮径1,120毫米
轴距2,500毫米(兩端轉向架)
1,600毫米(中間轉向架)
机车长度17,600毫米(原型車)
17,900毫米(量產車)
机车宽度2,800毫米
机车高度4,220毫米(降弓状态)
整备重量80.0吨(原型車)
81.5吨(量產車)
受流电压AC 20kV 50Hz
传动方式交—直流电
牵引电动机MT52 × 4
最高速度100公里/小时
持续速度46.1公里/小时
牵引功率1,900千瓦(小时)
牵引力14,100公斤(持续)
制动方式再生制动空气制动
安全系統ATS-S

发展历史

开发背景

1960年代中期,随着奧羽本線的运输量不断增长,日本国有铁道研制了带有电阻制动EF64型电力机车,投入到奥羽本线福岛米泽间的直流电气化区段运用,以替换自1951年开始使用的EF16型电力机车。1968年,日本国铁对奥羽本线米泽至山形区段实施交流电气化,并将福岛至米泽区段改造为交流电气化铁路。同时,还将设有交流电气化试验段的仙山線全线改造为交流电气化铁路[1]

奥羽本线翻越奥羽山脉板谷岭日语板谷峠路段,是在日本国内与碓冰岭瀬野八日语瀬野八并称的陡坡区间,其中有22公里的33‰连续长大坡道,且存在大量半径约300米左右的小半径曲线。在如此大坡度的线路上,若果列车下坡时频繁使用踏面制动来控制速度,闸瓦轮箍长时间摩擦不仅造成严重磨耗,甚至容易造成轮箍弛缓的行车事故。因此,适用于奥羽本线和仙山线的新型交流电力机车必须具有电力制动,保障列车在下坡时的行车安全;另外,机车也必须满足较严苛的轴重限制,才能够在线路条件较差的仙山线运行[2]

电力制动按照其消耗电能方式不同而分为电阻制动和再生制动。当时的直流电力机车主要采用电阻调压方式,如果使用电阻制动的话,所需要增加的制动电阻的容量相对较小。但由于交流电力机车本身的牵引电路并没有电阻器,为了电阻制动而安装大容量电阻器并不经济[3]。随着电力电子技术在牵引传动领域的快速发展,晶闸管相控调压的交—直流电传动电力机车渐趋成熟,日本亦在1965年成功研制了相控调压的ED93型电力机车(后来定型为ED77型电力机车)。因此,日本国铁决定在ED93型电力机车的基础上,开发研制带有再生制动的相控电力机车[2]

原型车

1967年2月28日,首台原型车日立制作所落成,当时称为ED94型电力机车(ED94 1)。机车主电路采用晶闸管四段全控桥式整流电路,在牵引和再生制动时分别以整流逆变模式工作,通过恒压控制和励磁恒流控制系统调节牵引力或制动力,并且实现了机车主电路和控制电路的无触点化。Bo-2-Bo轴式的走行部与ED77型电力机车基本相同,无动力的中间转向架并具有可变轴重功能。车钩中心距长度为17,600毫米,运转整备重量为80.0吨[4]

ED94 1号机车出厂后先后在東北本線磐越西線、仙山線进行各种试验,随后与ED93 1号机车共同投入仙山线进行运用考核,担当仙台作并间客货列车的牵引任务。1968年,ED78型电力机车投入批量生产后,ED94 1号机车在郡山工厂按照量产车的技术标准进行了改造,改造内容主要包括调整车内设备布置和更换重联用电气连接器。完成改造后被编入ED78型电力机车的序列,机车编号变更为ED78 901号[4]

量产车

1968年,根据ED94 1号机车的使用经验和试验结果作出改良后,正式定型为ED78型电力机车并投入批量生产,从1968年至1980年间共制造了13台,其中可按制造时期和细节特点分为三个批次的车辆。

第一次量产车(1~9)
  • 1968年,因应奥羽本线及仙山线交流电气化、磐越西線货物列车增发而制造了ED78 1~9号机车,生产预算由昭和42年度第2次債務承担,全部配属福岛机关区(今福岛综合运输区日语福島総合運輸区[5]
  • 与原型车相比,量产车为提高功率因数和减少谐波干扰,晶闸管全控桥整流电路采用了不对称触发脉冲方式。由于车内电器设备相应增加,车体长度亦比原型车延长了300毫米,运转整备重量增加至81.5吨。
  • 除此之外,改为采用强化了电枢绕组绝缘的MT52A型牵引电动机,又仿照EF63型电力机车增加了针对大坡度区间的安全装置,例如空转检测设备、超速检测装置、电枢短接制动、基础制动锁定机构等。
第二次量产车(10~11)
第三次量产车(12~13)
  • 1980年,因应“曙号卧铺特急列车换型为24系客车及扩大编组的需要而制造了ED78 12~13号机车,也是日本国铁史上最后落成的交流电力机车,同样配属到福岛机关区。
  • 电气及控制设备方面,这批机车改为使用强化了电枢轴的MT52B型牵引电动机。受电弓支撑绝缘子由空心式改为实心式。为了避免机车重联时两台机车之间出现电流不平衡的现象,在主电路增加了脉流波形校正电路。
  • 司机室设备方面,因应单司机值乘的需要而调整了司机操纵台的设备布置,并加装了电风扇。前窗玻璃采用了导电膜加热防雾玻璃,司机室侧窗采用了质窗框。
  • 机车外观方面,采用了较小型的尾灯和供电状态指示灯,车体正面的司机室通风口亦被废除,机车编号牌改为采用整块金属板样式。车端排障器上方设有KE72H型电气连接器,用于向24系客车传递电空制动信号。

運用歷史

国铁时代

 
ED78、EF71型电力机车重联牵引50系客车日语国鉄50系客車(1987年)

ED78型电力机车落成后均配属福岛机关区,担当奥羽本线福岛至山形间及仙山线的货物列车旅客列车牵引任务,包括“曙号”卧铺特急和“津轻号”夜行急行在内的优等列车。奥羽本线完成交流电气化初期,该线列车主要使用ED78型电力机车作为本务机车,而在福島至米泽间的板谷岭区段则加挂EF71型电力机车作为补机

1970年起,随着仙山线的ED90、ED91型电力机车全部被淘汰,仙山线的列车统一采用ED78型电力机车担当牵引任务;同时,EF71型电力机车亦开始福岛至山形间的直通运转,板谷岭区段是否需要重联牵引或者加挂补机主要视乎列车重量而定,ED78型电力机车单机的牵引定数为300吨(最大330吨),双机牵引时的牵引定数为540吨,而ED78型电力机车与EF71型电力机车双机牵引时的牵引定数可达650吨。

1970年10月,上野至青森的“曙号”卧铺特急列车开行,为配合20系客车所采用的AREB电空制动机,所有ED78型电力机车均加装KE72H型电气连接器,用于向列车传递电空制动信号。1986年,运用时间最长的ED78 901号机车首先报废。1987年2月,ED78 1号机车亦在國鐵分割民營化之前报废。

民营化后

1987年4月,国铁分割民营化后尚存的12台ED78型电力机车(2~13)由東日本旅客鐵道(JR东日本)继承。1990年8月,为配合兴建福岛至山形的“迷你新幹線”,奥羽本线福島至山形間开始进行轨距拓宽工程,将原本的1067毫米窄轨改造成1435毫米標準軌。1992年7月,山形新幹線开通运营,剩余的ED78型电力机车均投入仙山线运用,担当普通货物列车和临时旅客列车的牵引任务;而EF71型电力机车因难以转往其他地区使用而陆续报废。

1993年,福岛运转所与福岛车掌区合并成立福岛运输区日语福島総合運輸区,所配属的ED78型电力机车全部转移至仙台电车区(今仙台车辆中心日语仙台車両センター)。虽然仙山线在1990年代初完成线路强化工程后容许ED75型电力机车上线运行,但由于ED78型电力机车具有再生制动的优点,因此ED78型电力机车仍然获得保留并在该线牵引货物列车。1998年,随着仙山线货物列车全部停运,ED78 2~11号机车亦相继报废。而ED78 12~13号机车则用于清扫铁路上的落叶,至2000年正式除籍报废。

技術特點

总体布置

ED78型电力机车是客货运通用的交流电力机车,适用于供电制式为20千伏50赫兹的工频单相交流电气化铁路,采用轻量化整体承载式全钢焊接结构箱型车体。由於ED78型电力机车搭载了再生制动设备,车钩中心距长度亦延长至17,900毫米(原型车为17,600毫米)。

车体两端各设有一个司机室,司机室内机车运行方向的左侧设有司机操纵台,右侧设有副司机座席及手制动手柄,司机室两侧设有供乘务员乘降的侧门,司机室上方车顶装有两盏密封光束灯英语Sealed beam前照燈,前窗玻璃上方装有冰柱切割板。因应机车重联运用的需要,机车两端采用贯通型结构,司机室前端中央设有贯通门,以便乘务人员通过到另一台机车[2]

车体中部是设有各种机械及电气装置的机械室,从一端至二端方向顺序布置有第一辅助机械室、高压电器室、第二辅助机械室。第一辅助机械室设有牵引电动机通风机、交流滤波器、空气压缩机、紧急制动风缸等设备。高压电器室设有主变压器可控硅整流器及配套装置,包括空气断路器避雷器、受电弓隔离开关等高压电器设备。第二辅助机械室设有平波电抗器、励磁电阻器、辅助励磁变压器、晶闸管励磁控制器、牵引电动机通风机、稳定电阻器、劈相机等设备[2]

车顶外置的高压设备只有两台PS101C型双臂式受电弓。车体下方除了有三台转向架之外,还吊装着五个总风缸和两个谐波滤波器。车体通风系统与ED77型电力机车基本相同,车身两侧各设有六个通风百叶窗和采光玻璃窗,主变压器和整流装置等主要电气设备的冷却空气均取自车内,夏季时从机械室内吸入冷风后经车顶通风口排出热风,而冬季时则关闭车顶通风口并改为室内循环方式,以改善室内保温性能和减少车外冷风吸入量。

电气系统

主电路

ED78型电力机车是交—直流电传动的整流器式电力机车,机车主电路由空气断路器、主变压器、整流器、牵引电动机平波电抗器、电路保护装置等部分组成。机车从架空接触网获取高压交流电,首先由主变压器降低电压,再通过可控硅整流器转换成脉流电(即方向不变而只有电压变化的直流电),然后供电给四台并联的牵引电动机。

考虑到功率因数谐波干扰的因素,以及实现再生制動的需要,ED78型电力机车采用了晶闸管四段全控桥式整流电路,使整流电路能够在四象限运行,当0°<α(控制角)<90°时工作在整流状态,当90°<α<180°时工作在逆变(再生)状态[1]。可控硅整流器由反并联联接的晶闸管组成整流桥,当牵引工况时利用四段桥顺序相位控制进行无级调压。在使用再生制动时,四段桥采用串联联接进入逆变状态,牵引电动机变为他励直流发电机运转,输出的直流电经逆变电路转换成交流电;并在电枢回路接入稳定电阻器,以均匀分配各牵引电动机之间的负载[2]

为了弥补相控电力机车功率因数较低的弱点,ED78型电力机车和EF71型电力机车一样,均设置了LC五次及七次谐波滤波器,但由于功率因数补偿效果不理想而通常切除不用。1973年以后,奥羽本线和仙山线开始使用牵引变电所固定补偿方式,并拆除了电力机车上装载的谐波滤波器。经过这两种机车的经验教训,此后日本出口的交流电力机车均采用LCR谐波滤波器,例如出口南非7E1型电力机车英语South African Class 7E1和出口中国6K型电力机车[6]

控制系统

牵引控制方面与ED77型电力机车相同,同样采用了单闭环恒压控制系统(AVR),它是由司机控制器、给定器、比较器、补偿电路、自动脉冲移相器(APPS)、电压反馈系统等部分组成。司机控制器上每级位都对应着牵引电动机的某一级端电压。首先通过对牵引电动机回路负载电压的检测,得到相应的反馈信号电压,并与给定器输出的基准信号电压进行比较,如果负载电压与基准电压不同则产生一个偏差信号,使移相器发出一个相位与基准电压有一定函数关系的脉冲信号,以此来触发晶闸管和改变控制角大小[2]

而再生制动控制方面,机车可通过改变励磁电流或逆变器电压,来调节所需要的制动电流和制动力。当司机控制器处于11位至17位,机车速度与制动力成反比关系,励磁电流逐步增加直到达到额定值;而晶闸管励磁调节器由辅助变压器供电,为牵引电动机提供励磁电流。当司机控制器处于11位以下,则保持励磁电流为额定值,调节控制角改变逆变输入电压[2]。两种方式亦是分别利用两套相似的闭环控制系统,每套系统均由司机控制器、给定器、比较器、补偿电路、移相器、电压(电流)反馈系统等部分组成,除了控制对象不同外工作原理大致相同[1]

ED78型电力机车两端均设有两组KE77型电气连接器,可以和另外一台ED78、EF71型电力机车进行重联同步控制。在技术层面而言,当无需使用再生制动的场合,ED78型电力机车亦可以和ED75型500番台、ED77型电力机车实现重联控制。

电器设备

机车装用一台TM12型壳式单相主变压器,冷却方式为强迫油循环导向风冷却,额定容量为2290千伏安,变压器次边有三个绕组,包括一个向主电路供电的牵引绕组、一个向辅助系统供电的辅助绕组及一个向旅客列车供电的供电绕组。列车供电系统能够在冬季为旅客列车的电热取暖装置直接供电,由主变压器的供电绕组向列车输出1480伏特单相交流电,额定容量为380千伏安,司机室右侧装有一盏供电状态指示灯[2]

整流装置采用RS30型可控硅整流器,冷却方式为强迫通风冷却,额定功率为2200千瓦,额定整流电压为1100伏特,额定电流为2000安培,共使用192个CJ02L型晶闸管(国铁标准型号为CSI 250-10型,最大反向电压为1000伏特,额定整流电流为250安培)[1]

每个两端转向架安装两台MT52型四极串励直流牵引电动机(1~11号机车使用MT52A型,12~13号机车使用MT52B型),小时功率为475千瓦,持续功率为425千瓦,额定电压为900伏特。牵引电动机回路串接有平波电抗器,以减少整流电流的脉动成分和改善电动机的换向性能。为扩大机车的恒功调速范围,还可以对牵引电动机使用二级磁场削弱

辅助电路

机车的辅助电路系统主要采用三相交流传动。牵引电动机通风机、电动空气压缩机等均采用三相鼠笼式异步电动机驱动。辅助电路系统由主变压器辅助绕组供电,并由一台旋转式劈相机将单相交流电转换成三相交流电,额定电压为400伏特50赫兹。另外还设有一台小型电动发电机,为控制电路、照明电路、蓄电池充电供应100伏特直流电。

转向架

机车走行部为三台二轴转向架,包括两台DT129型两端转向架(原型车使用DT129I、DT129J型,量产车使用DT129M、DT129N型)和一台无动力的TR103B型中间转向架[2]

两端转向架

两端转向架与ED75型电力机车的转向架大致相同。构架采用“日”字形的钢板焊接结构,轴箱采用导框式定位结构,转向架固定轴距为2500毫米。牵引传动装置采用轴悬式,牵引电动机的一侧通过抱轴承刚性地支承在车轴上,另一侧通过橡胶弹性元件悬挂在转向架构架上,牵引电动机输出的转矩通过一级减速齿轮传动轮对,齿轮传动比为4.44(16:71)[1]。基础制动装置为双侧闸瓦制动,每个轮对左右各设有一个制动缸,并设有制动横梁以保证两侧闸瓦同步作用,另外还设置了闸瓦间隙调整器。

转向架采用无摇枕的全旁承支重结构,通过四组旁承弹簧支承车体重量。一系悬挂为轴箱顶端螺旋弹簧,二系悬挂为构架外侧的旁承弹簧,旁承弹簧采用每侧两个并联的螺旋圆弹簧组,并配有垂向油压减震器。牵引力和制动力通过“Z”字形低位斜牵引杆装置来传递[2]。牵引杆和牵引拉杆座呈对角斜对称布置,与连接于构架下的三角形回转支承和横向连杆组成牵引杆系统,使牵引杆的牵引点交于轨面,理论上转向架内无轴重转移,以充分利用机车粘着重量。

中间转向架

ED78型电力机车采用了与ED77型电力机车相同的可变轴重中间转向架,转向架构架采用“U”形侧梁的钢板焊接结构,固定轴距为1600毫米。中间转向架亦采用旁承承载,中央悬挂装置采用空气弹簧。中间转向架和车体之间还设有横向滚动装置,以便机车通过曲线。通过调节中央空气弹簧的内部压力,可改变两端和中间转向架的轴重分配,使动轮轴重可以根据线路条件而设定为14、15、16或16.8吨[2]。轴重调整功能不僅使机车能更好的适应线路条件较差的支线铁路,还能夠在牵引列车起动时采用较大的轴重,以提高粘着性能[7]

车辆保存

参考书目

  • 特集:奥羽本線. 鉄道ピクトリアル (電気車研究会). 1999年2月, 665: 48-53. 
  • 特集:55-10改正. 鉄道ファン (交友社). 1980年12月, 236: 61-62. 
  • 交流・交直流電機出生の記録 1 . 鉄道ファン (交友社). 1987年3月, 311: 124. 
  • 交流・交直流電機 19 . 鉄道ファン (交友社). 1989年11月, 343: 69-71. 
  • 犬山徹夫. ED77・ED78の誕生とその終焉. 国鉄時代 (ネコ・パブリッシング). 2010年11月, 23: 69-70. 

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 川添雄司. 試作交流回生ブレーキ機関車ED94形. 《交通技術》 (交通協力會). 1966年11月: 17 (日语). 
  2. ^ 2.00 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.10 佐々木昭夫、河野敏克、石塚猛、宫寿一、藤井徳寿. サイリスタ式回生ブレーキ付ED94形交流電気機関車. 《日立評論》 (日立製作所). 1968年5月, 50 (5): 29–35 (日语). 
  3. ^ 大江晋太郎. 日本电力制动的技术动向. 《国外铁道车辆》 (青岛: 中国北车集团四方车辆研究所). 2011年11月: 7–9. ISSN 1002-7610. 
  4. ^ 4.0 4.1 ED78 901(←ED94 1). Kanorail. [2014-01-07]. (原始内容存档于2019-08-10). 
  5. ^ ED78 1~9. Kanorail. [2014-01-07]. (原始内容存档于2020-03-02). 
  6. ^ 刘重庆、张连有. 《国外铁路主要技术领域发展水平与趋势》. 北京: 中国铁道出版社. 1994. ISBN 7113019439. 
  7. ^ ED78 901 交流電気機関車.  鉄道写真管理局. [2014-01-07]. (原始内容存档于2014-01-08).