ED75の技術 (2002.9.15, Ver.0.22)
	「東北地区におけるED75の活躍」('97.11.28, Ver.0.21)を改題しました．内容は執筆した1997年当時のままです．写真はトップ画像だけしかありません．

ED75形式交流電気機関車は，昭和38年から昭和51年までの14年間に302両が製造された。本機は幹線用交流電機の標準形式となり，北は函館本線から南は鹿児島本線まで広く足跡を残している。東北地区はその主たる活躍の場で，宮城・福島県下を受け持つ東北支部にとって最も馴染みの深い機関車のひとつである。

筆者は学生だった昭和50年代はじめ，ED75に傾倒し長町機関区で履歴簿を写すのを休日の日課としていた時期がある。また最近ではインターネット上に｢75茶屋｣なるED75ホームページをつくり[1]，ネット仲間と共に楽しんでいる。それを熟知している支部長の指名により今回の記事を書く羽目になった訳であるが，もとよりこの分野に詳しい諸先輩や，最近精力的に活動しておられる若手の方々に比べて浅学非才は隠すべくもない。また筆者は鉄道現場と直接の知己を持たず、情報源は一般鉄道雑誌と撮影旅行での見聞、それに友人との雑談程度であって奥行きもない。

とはいえ，新EH交直流機によるED75の置き換えが現実的になりつつある今[2]，筆者なりのED75観を肴に読者諸賢にワイワイと楽しんで頂ければ，「あけぼの」のEF81化によって意気消沈する盟友ED75達にも喜んでもらえると思い直し，本稿をまとめた。国鉄時代，交流･交直流機関車は昭和30年度から55年度に渡り937両が作製された。ED75はその約1/3を占める主力機である[3]。本稿では交流電機登場の背景、ED75の技術的位置付け、ならびに最近の動向などを筆者なりにまとめてみよう。

わが国において、独仏で開発された交流電化方式の経済的・技術的利点が認識され，実用化のための調査研究が開始されたのは、昭和28年に設置された「交流電化調査委員会」といわれる。同委員会は昭和32年に電化開業予定の北陸本線を目標に設置されたもので[4]，交流電化試験線区として昭和30年8月には仙山線の陸前落合-熊ケ根間の交流50Hz,20kVによる電化を完成させている。仙山線におけるED451（イグナイトロン水銀整流器式）の成功によって，直流電化方式の予定された北陸本線が交流電化方式に変更されたことはよく知られている[4]。 東北地区では今日でも作並駅に「交流電化発祥の地」の碑を見ることができ，また奥新川駅の山寺駅寄には昭和43年まで使用された直流変電所跡が姿を留めており，戦後の新しい電化方式の試金石として東北地区の鉄道が重要な役割を果たしたことを身近に知ることができる。

<写真1>　新庄客貨車区の一般公開で｢津軽｣の特製ヘッドマークを付けた700番台のトップナンバー。同機は昭和46年，奥羽本線秋田-青森間電化開業用として新製された。 ['86.7.20　新庄区]

最近のインバータ制御方式の機関車は別として、交流電機は架線から得た交流で直流電動機を駆動して走行する。この交直変換装置の開発と，交流機に適した制御方式の開発は常に古くて新しい問題である。

いささか講釈めくが、この点はED75の技術的特徴を理解する上で必要なので、基礎知識を整理しておこう。周知の通り、鉄道車両用主電動機には，停止から最高速度（ED75では100km/h）までの車両速度に対応して回転数を可変させることと，起動時に高い回転力（トルク）を発生させ短時間で列車を加速させることの2つの要件が基本的に求められる。ことばを換えて言えば，回転力を所望の値に調節しつつ回転数を制御することが速度制御の基本である。

経済性や保守の容易さも含めて判断すると、最近のインバータ駆動方式が確立する以前には，このような要求を満足できる主電動機は直流電動機，それも電動機の界磁巻線と電機子巻線とを電気的に直列接続した直流直巻電動機と呼ばれる種類の電動機以外にはなかった。

このため電化方式が交流であっても主電動機は直流とせざるを得ず，必然的に交流を直流に変換する装置が必要とされた。これが整流器である。このため、交流･交直流電機開発の歴史は整流器の歴史であるという側面がある。

一方，交流を直流に変換したあとでは、回転数と回転力をどのように制御するかという課題がある。直流電動機の回転速度は電動機の端子電圧に比例し、回転力は電流の二乗に比例するするという性質がある。電流は端子電圧によって制御可能なので，速度制御の基本は端子電圧を変化させることになる。これを実現するため，直流車両では電動機の直並列制御や，端子電圧の微調整を行うためのバーニア制御と呼ばれる方式などが組み合わせて使用されてきた。交流電化方式では変圧器を利用すれば簡単に電圧が変換できるため，直流機とは異なる効率的な制御方式が可能であると期待されていた。

交流機を開発する上で、この整流器と速度制御方式の問題は避けて通れない基本的な課題だった。

では，このうちまず整流器の技術開発について見てみよう。現在ではシリコン整流器が広く使用されているが，昭和30年代当初と言えばアメリカのAT&Tベル研究所で世界最初のトランジスタが産声を上げたばかりの頃であり，実用的には水銀整流器の時代であった。 水銀整流器は車両以外では使用実績が豊富だった反面，液体の水銀をガラス管などに封入して用いるため振動に弱く，予熱が必要であることなど扱いにくい面もあった。このため仙山線試験電化開業時に投入されたED45形式では，振動対策としてコイルばねを使用した揺れまくら方式のDT109台車が取付けられた。当時は機関車と言えば釣掛式が当たり前であり，この台車は異彩を放っていた[3]。 水銀整流器では陽極、陰極という２つの基本的な電極の他に、両者の中間に格子電極（グリッド電極）が設けられ、これに適当な電圧を与えることによって、整流と同時に電圧制御も可能という優れた機能を有していた。これに対し，シリコン整流器は単に電流の方向制御が可能なだけで電圧制御機能を持たず，このため磁気増幅器という相棒が必要となった。 シリコン整流器を最初に搭載したのは昭和35年3月落成のEF301である[4]。同機以後，EF81形式に至るまでの交流・交直流機はすべてシリコン整流器を搭載している。

<写真2>　上りフレートライナーを重連で牽引するED75。昨今の東北本線ではもっともポピュラーな使用形態の一つである。先頭の100号機はつらら切りを有するグループ(50〜100)の最終ナンバーである。['87.2.1　岩沼-槻木]

EF500形式を除く交直流機の主回路方式は全て直流機関車に交直変換装置を付加した構成となっており，交流区間であってもその速度制御方式は直並列制御＋抵抗制御であって直流機関車と同じである。これに対して，交流専用機関車では独自の回路方式が考案された。最初に登場したのは昭和37年11月落成のED741である。

ED74形式における主電動機の端子電圧制御方式は変圧器のタップ切替方式である。一般に変圧器の端子電圧は1次側，2次側とも巻線回数に比例するため，車両用主変圧器では巻線の途中に多数の電気端子取出口(タップ)を設け，これを切替えて電圧制御を行う。交流電機は基本的にはどの形式でもこのようなタップ切替制御を行っている。

ED74形式では1次側(高圧20kV側)でタップを切替える高圧タップ切替方式が採用された。これに対し，ED75形式では変圧器の2次側(低圧側)でタップを切替える低圧タップ切替え方式が採用されている。

高圧タップ切替方式と低圧タップ切替方式の走行性能上の相違は，再粘着性能の善し悪しにある。再粘着性能とは機関車の動軸が空転した場合に速やかに粘着状態(車輪が滑らずに回転する通常の状態)に戻るかどうかの良さを表すことばである。俗にD形交流電機はF形直流電機に相当すると言われるのは，交流電機の再粘着性能が良く，出力の割に重い列車牽引できるという意味であることはよく知られている。その再粘着性能を詳細にみると，低圧タップ切替方式は高圧タップ切替方式に比べて勝っているのである。

ところが，技術的にみると低圧タップ切替方式はタップ切替装置の開発が難しい。これは高圧側に比べ大電流を遮断する必要があるからである。変圧器では1次側の電圧×電流の値は2次側の電圧×電流に等しいという基本的性質があるため，電圧の低い2次側では必然的に電流は大きくなる。一般に，大電流を遮断しようとすると電弧(電弧=火花の一種)が発生して遮断しにくく，たとえ遮断できてもタップ切替器の電気接点が黒こげになり動作不良に陥ったりすることがある。

ED75形式では，この難問を磁気増幅器の採用によって克服した。磁気増幅器とは元来増幅機能を有するような特殊な可飽和磁心（鉄心）のことであり，原理的に整流器とペアで使用して初めて機能が発揮される。この装置はON/OFFのタイミングが連続制御が可能なスイッチとしても機能し，かつその動作を電弧を発生させずに行うことができる。これを無電弧という。この場合，増幅機能は利用されていないが，やはり磁気増幅器と呼ばれている。ED75形式では，タップ間の電圧を連続的にかつ無電弧で変化させるために磁気増幅器を使用している。この効果を直流電機で言えば，バーニア制御を無電弧で行う作用が磁気増幅器の効果と言うことができる。

電力制御機器の時代背景から言えば、昭和30年代から40年代前半までが磁気増幅器の全盛時代である。それ以前は真空管の時代、それ以後はサイリスタの時代で、ごく最近ではIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）がGTOサイリスタに換わって新幹線電車に搭載されつつある。ED75の登場した昭和38年はまさに磁気増幅器の全盛時代であり、これを車両用に適用するという発想も自然なものだったと推察される。

シリコン整流器と磁気増幅器の組み合わせは，ED75とED76のみで，それ以降はサイリスタ(シリコン制御整流器，SCR)へと置換された。ED75においてもその登場当時からサイリスタが将来の本命はあると考えられており，ED751，ED752にサイリスタを搭載して長期試験が行われたほか，函館本線で使用されたED75501には製造時からサイリスタ制御方式が使用された。

サイリスタを使用すると一層複雑な制御が可能である一方，高調波の発生による誘導障害が深刻で，当時はその対策に苦慮したようである。とくに機関車は電車に比べて出力が大きいため，技術的課題は一層多かったと思われる。乱暴な言い方をすれば，日本の都市部で実用された最初のサイリスタ制御方式の機関車はEF200である。

ED75形式700番台を改造して誕生したED79形式の0番台では磁気増幅器とシリコン整流器を降ろし，サイリスタを搭載した。これは青函トンネルの長い勾配区間では単機1000トン牽引時であっても十分な制動力が得られるよう交流回生ブレーキを装備する必要があったためで，0番台とペアで使用される100番台では磁気増幅器のままである。

さて，ED75形式の第1号機は昭和38年12月27日に落成した。これは三菱製のED752号である。日立製のED751号はほぼ時を同じくして昭和38年12月30日に落成した。 登場時の特徴として，既に無電弧低圧タップ切替方式，及びシリコン整流器搭載を挙げた。これに加え，台車の特徴を挙げておこう。ED75形式の台車はDT129であり，再粘着性能の向上と台車の軽量化に大きく寄与している。再粘着性能の電気的要因については前項で記したが，その他に機械的要因もある。空転発生時には空転軸の軸重が減少し，同一台車内の他軸の軸重が増加し，一層空転が激しくなる。これは軸重移動と呼ばれる。軸重移動を抑制するためDT129では心皿のない連結棒式･全側受式を採用した。これによって，それ以前の台車に比べ軸距も短縮され，軽量化にも寄与している[6]。 ED75形式では当初1エンドはDT129A、2エンドはDT129Bが用いられ、xx号からはブレーキシリンダの圧力を増圧しそれぞれDT129G、DT129Hとなった。132号からは1エンドのオイルダンパの取り付け位置が側受の車体中心側に変更されたDT129Pとなった。これは１エンドの台車への配線がオイルダンパ部と接触磨耗するケースが多かったため1エンド側の台車に限って形式を改めたと長町機関区で伺ったことがある。700番台とP型はすべてP,Hの組み合わせである。 ED75形式では台車の振替検査が行われるため、場合によって例えば車両本体は日立製、1エンド台車は三菱製、2エンド台車は東芝製と、交流機車両メーカの揃い踏み（？）を見せる車両がある。 台車形式の枝番がA,B,G,H,Pと飛んでいるのは、DT129形式台車が交流機の標準形式として用いられたためである。例えばED78,EF71型に用いられたDT129M、Nは基本的にED75に用いられたものと同一であるが、福米間の急勾配で停電長時間停車した場合に備え、機械的にブレーキを固定する機構(ロッキングブレーキ）が追加されている。 このDT129台車は，実は北陸本線の敦賀以北の乙線区の電化開業用として開発されたED74形式で使用された台車である。 この例に顕著にみられるように，ED75形式は設計当初から交流電機標準形の確立を意図して企画されたため、それ以前の交流電機で実績のあったところを採用して設計されている箇所が多い。

<写真3>ED75とブルートレインの付き合いは長い。｢ゆうづる｣はその代表格であり，青函ﾄﾝﾈﾙが開業した平成元年3月まで最多期には1日4往復の先頭に立った。写真は大雨による不通のため仙台駅に｢ゆうづる｣が2本の並んだ珍しい姿。右148号機，左1031号機。['86.8.5　仙台]

冒頭に述べたようにわが国の交流電化方式の発端は昭和28年に遡り，ED75はそれから10年を経た昭和38年に登場した。この間，東北本線にはED71が，北陸本線にはEF70とED74が，鹿児島本線にはED72，ED73があってそれぞれ主力機としての地位を一応確立していた。ED75はそれらの集大成として整流器，制御方式，台車その他について，既存形式の実績の優れた部分を選んで採用し，更に磁気増幅器をはじめとする新技術を投入したものであった。 ED75の出力は1900kWであって，東北本線の先輩格であるED71形式の最終グループ(45〜55)の2050kWに比べむしろ減少している。にもかかわらず，ED75形式は交流電機最大の302両を数えるに至った。 その内訳は，50Hz一般用160両(1〜160，M型)，60Hz一般用11両(301〜311)，50Hzサイリスタ制御の北海道用1両(501)，耐塩害対策と操作性を向上させた700番台91両(701〜791，現在約1/3はED79形式に改造)，高速貨物並びに寝台特急用39両(1001〜1039，P型)となっている。なお最後に新製された車輌は700番台ではなく、昭和51年11月の1039号である。 単一形式でこれだけの両数を数えるに至った背景には，東北一円に広い交流電化線区を持ち，平坦区間は単機で運用し勾配区間の重量貨物列車は重連でという製造当初からの思想がよく維持された点を挙げることが出来る。逆に単一線区でD形電機とF形電機の両方を有する例は北陸地区のED74とEF70，奥羽のED78とEF71などのようにいくつか見られるが，結果からするとD形とF形を上手に使い分けるのはなかなか難しいように見える。また，東北地区の客車暖房が電気暖房に統一されていたことも大きい。 その一方で，九州用の300番台はわずか11両が製造されたのに留まり，ED75形式は九州にはあまり広まらなかった．これは，16.8ｔという軸重による入線制限が多かったことに加え，歴史的経緯から九州地区では蒸気暖房が採用されていたためである．このため，ED75形式に蒸気暖房を積み，さらに軸重軽減のための遊輪を設けたED76形式が製造された． これらに加えて，昭和40代年中盤に登場したサイリスタ使用交流電機は結局幹線筋には登場せず，皮肉なことにこれもED75の数を増す上では幸いした。

<写真4>　蔵王山麓を行くED75重連牽引のﾌﾚｰﾄﾗｲﾅｰ。雪化粧した蔵王と青空と赤い75のｺﾝﾋﾞﾈｰｼｮﾝが写欲をそそる。冬の東白石付近は75と蔵王，白鳥，そして斜陽などの組合せが私にはことのほか素晴らしく思え，何度となく足を運んでいる。 ['88.2.22　東白石-北白川]

[1]Rail Fan, No. xxx, p. xx(1997.3)
[2]南那　轟：機関車ED75ホームページ「75茶屋｣、URL:http://ed75.trainwww.com/
[3]藤本勝久:｢交流･交直流電機出生の記録｣,鉄道ファン　No.311(1987.3)
[4]松田新市:｢交流電機機関車開発の思い出｣，鉄道ピクトリアル No.563(1992.8).
[5]藤本勝久:同上,鉄道ファン　No.317　(1987.9)
[6]藤本勝久:同上,鉄道ファン　No.320　(1987.12)，ほか本シリーズ全冊。

[4]鉄道ピクトリアル，鉄道ファン，鉄道ジャーナル，レールガイ，レールマガジン，各誌バックナンバー。
[5]川添裕司:｢交流電気車両要論｣，電気車　　研究会
[6]H.F.Storm原著，｢磁気増幅器｣，ｺﾛﾅ社
[7]穴山　武:「エネルギー変換工学｣，丸善
[8]内藤伸司(東北大鉄研OB)私信(1996.3)

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