しかし、界磁添加励磁制御は装置の価格が非常に安価（一番金がかかる電力用の半導体も電機子チョッパなどと比べて小容量＝安価なもので済む）・電車用として非常に優れた特性を持つ直流直巻電動機を使用出来る・回生ブレーキが使えるなど、総合的に見れば実用面で有利な点が結構多い。「コスパに優れた次世代の抵抗制御」なのである。

加えて、停車駅間が長く急加減速を繰り返さない特急形車両において、半導体制御の恩恵はそれほど高くなく、またVVVFの利点である“主電動機、特にその回転子が軽い”ことが逆に制御の設定を難しくする傾向にあった(ある程度以上の回転数を保って連続回転する場合、回転子の重量があった方がそのフライホイール効果で安定するため)。JR東日本以外でも界磁添加励磁制御はおろか回生ブレーキを持たない単純な抵抗制御の車両も新製されていた。前者の例は近郊型だが停車駅が極端に少ない新快速に使用されるJR西日本221系(1991年の207系量産車登場後も新製され、223系が登場するのは1993年)であり、後者の例は101系の電装品流用で登場した西武鉄道 10000系(NRA)である。

主電動機も205系などでお馴染みのMT61形電動機を使用している。

MT61は定格出力こそ120kW(※1)と国鉄型の主力電動機であるMT54と変わらないが、コンピュータ設計の導入などにより効率や許容回転数が格段に向上しており、性能は圧倒的に向上している。

(※1)一部に150kWとしている車両があるが、これは元々MT61が端子電圧470Vで設計されているためである。MT61は交流専用電車713系の為に登場したモーターの為、交流20kVからの降圧であれば主回路電圧を1500Vより大きくとれるためである。直流車や交直両用車で主回路電圧は1500Vにする必要がある為、国鉄型1C8Mカム軸制御器の場合は端子電圧375Vとなり、120kWになる。なお、MT54も同様に端子電圧470Vとして150kWとしているタイプがある(711系、781系用)。

どれくらい性能が向上したのかといえば、例を挙げると

同じギア比4.82でもMT54を使用する113系や115系・415系が必死に走って100km/hくらいが限度だったのに、MT61を使用する253系や721系は130km/hを出せる(ギア比を小さくすると起動加速度を犠牲にする代わりに高速運転向けの特性になり、逆に大きくすると高速性能を捨てる代わりに起動加速度を高くできる)。
- MT54の先代に当たるMT46(101系で初採用された国鉄中空軸カルダン駆動用電動機の元祖、定格出力100kW/375V)を搭載した153系が 新快速 で110km/hでかっ飛んでいたとかMT54を搭載する485系の特急『雷鳥』をスイスイ追い抜いていたとか忘れろ。
205系は103系と（ほぼ）同じギア比1：6.07なのに、ブレーキを強化するだけで110km/h運転に対応できる（京葉線用・阪和線用1000番台）
計画のみで終わった187系はMT61によるオールMを採用し、機関車無しで碓氷峠を登り降りすることを目標としていた

などの事例で、MT61の潜在性能が垣間見れるだろう。

上にも書いたとおり、MT61なら130km/h運転程度であればギア比は4.82もあれば余裕でできるのである。

しかし651系のギア比は1：3.95と、結構低めに設定されている。これは一体何を意味しているのか……？

台車は205系などのDT50系列を元に高速安定性を強化し、さらにヨーダンパを追加したDT56系ボルスタレス台車を使用。

ブレーキシステムは回生ブレーキと機械ブレーキを併用したものを使用する。

しかしここで一つ問題がある。

直流区間であれば回生ブレーキを使うときは、主電動機で発生した電力（電動機と発電機は殆ど同じ構造であり、電動機の軸を動力を使って回転させれば電動機を使って電力を発生させることができる。これをブレーキに応用したのが電気ブレーキである）をそのまま架線に押し戻すだけでいいが、交流区間ではそうは行かない。電制時に電動機で発生する電力は直流電力であるためだ。

では、どうすればいいのか？

なんのことはない。力行時に整流用に使っているサイリスタブリッジ回路を、交流区間での回生制動時には「50Hzのインバータ」として運用してやればいいのだ(ただし架線側と位相を合せないと車両と変電所両方の高速度遮断器が落ちる)。これにより、交流区間での回生制動を実現している。

ただし、651系は交直両用としては初だが、交流回生ブレーキの技術そのものは国鉄時代に開発し終わっており、板谷峠用の電気機関車ED78形や、九州島内専用の交流電車713系で実現している。これらは力行時はサイリスタ連続位相制御という交流専用の制御方式を使うが、駆動するモーターは直流直巻であり、当然回生ブレーキ時にはインバータ動作が必要だった。

補助電源装置にはブラシレスMG（ブラシレスモーターを使用した電動発電機）を使用。

電動空気圧縮機は低騒音型のC-2000L系列のものを使用している。床下に付いている魚の骨のような形状の部品が空気圧縮機だ。

番台別解説

0番台

登場から一貫して「スーパーひたち」運用で使用されていたが、2002年から「フレッシュひたち」運用にも入るようになった。

2012年には後継車両のE657系が投入され、2013年 3月16日のダイヤ改正で「スーパーひたち」「フレッシュひたち」から引退した……のだが、E657系がLEDランプの設置工事を行うことになったため、2013年10月から2015年3月まで「フレッシュひたち」1往復で復活運行をした。

2014年11月より、残存していた編成が臨時列車や団体輸送などの波動用として運用されていたが、2018年に1本が廃車、そして2019年にE653系1本(U108→K70編成)に置き換えられて運用を終了し廃車となった。

2017年7月より、付属編成がいわき～竜田(10月からは富岡まで)間において、普通電車として運用されていたが、2020年3月14日のダイヤ改正で常磐線全線復旧に伴いE531系に置き換えられ定期運用を終了し全廃となった。

1000番台

2013年10月17日、郡山総合車両センターに入場していたK109編成が1000番台に改番されて大宮総合車両センターに配給輸送されたのをはじめ、一部の編成に直流区間転用改造を行った。番台区分は1000番台へ変更。車体にオレンジの帯を追加している。

これは特急あかぎ・草津に使用されていた185系の老朽置き換えによるもので、直流区間のみ走行となるので交流機器の使用停止措置を行い、パンタグラフを交換するなどの改造を施している。ちなみに交流機器を撤去しなかったのは電動車の重量バランスが崩れないようにするためである。

2023年3月18日のダイヤ改正にて、全運用がE257系5500番台or2500番台5両編成に置き換えられ営業運転を終えた。

現在はクハ651-1001に車籍が残されており、事実上の保存車扱いとなっている。

伊豆クレイル

2016年に、1000番台のうちの4両編成1本が再改造、ジョイフルトレイン『伊豆クレイル』となった。JR小田原駅～伊豆急行の伊豆急下田駅間を結んでいた。

2号車のモハ650を除きグリーン車へ区分変更、旧ヘッドマーク部は埋められて伊豆クレイルのシンボルマークが記載されている。

「サフィール踊り子」の運行開始に伴い、2020年に運行を終了した。

隠し持った性能

先述の通り、651系はMT61を使用する車両としてはかなりのローギアである1：3.95に設定されている。

さらに運転台。正面に鎮座する電光表示式の速度計は180km/hまで表示可能なものを採用してる。

これは何を意味するのか。

実は651系は、当時建設中だった北越急行線での使用も検討されていたと言われており、それを見越して160km/h走行が可能な性能を与えられている。……が651系は50Hz専用の車両で、しかもVVVFインバータ車と異なり60Hz対応化の為には回生ブレーキ関係を総とっかえする必要がある上、最北でも東北太平洋岸で比較的雪の少ない仙台にまでしか行かない常磐線用の651系には耐寒耐雪設備は搭載しておらず、都市伝説に過ぎないと思われる。

もう一つある。当時常磐新線と呼ばれていた筑波研究学園都市(つくば市)経由の新線の建設構想があり、こちらも当初最高速160km/hを目指していた。だが、計画は二転三転、建設予定地の一部では反対運動まで起き、さらにバブル崩壊で経済効果が薄れたことと既存線(常磐線)との共倒れを危惧したJR東日本はその運営から撤退、運営ノウハウの問題から最高速130km/hに減じて開業することになった。すなわち現・首都圏新都市鉄道つくばエクスプレスである。配置が常磐線であることを考えても、こちらの方が候補としては高かったのではないだろうか？