1973年から 1974年まで35両(21 - 55号機)が川崎重工業で製作されました。前面窓直上に庇が追加され、車体側面の点検蓋が車体中央のナンバープレート位置に移されました。車体上部の冷却排風口も形状が変更されています。前面ナンバープレート下の飾り帯にあった通風孔は廃止されました。補助電動機はメンテナンスフリーを目的に三相誘導電動機が採用され、これを駆動する電動発電機の容量を従来車の 5 kVA から 90 kVA に増強。
主電動機にはコンバインドシャント抵抗器が追加されました。高速回転時の整流改善を目的とする対策で、後年に充当された寝台特急運用では最高速度 110 km/h での営業運転を行うため、本件対策がなされた2次車を中心に充当しています。
自動空気ブレーキ装置には単機増圧装置に加え、20系客車に搭載された編成増圧装置を作用させるための指令線を追設しました。これは列車全体のブレーキシリンダ圧力を増加させる機構で、高速域からの非常制動時に制輪子と車輪の摩擦熱によって減衰する制動力を補うための装備で、2008年現在は使用されていません。
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