Принцип действия синхронного двигателя
В соответствии с принципом обратимости электрических машин синхронная машина может работать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т. е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.
Допустим, при генераторном режиме работы приводной двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки с угловой скоростью 
 . При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора 
 смещена относительно оси вращающегося поля 
 на угол 
 в направлении вращения ротора (рис.6.1, справа). Вращающий момент приводного двигателя 
 уравновешивается суммой электромагнитного момента генератора 
 и момента х.х. 
 
 . На угловой характеристике этому режиму генератора соответствует точка Г.
Если уменьшать вращающий момент 
 , то нагрузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол 
 , а следовательно, и ток статора 
 . В итоге снизится величина электромагнитного момента 
 и при вращающем моменте 
 угол 
 , т. е. генератор будет работать в режиме х.х. 
 и ЭДС генератора 
 окажется в противофазе с напряжением сети 
 . Этому режиму на угловой характеристике соответствует точка пересечения осей координат (точка О на рис.6.1). Если же вал синхронной машины отсоединить от приводного двигателя и создать на этом валу тормозной момент, т.е. момент нагрузки 
 , направленный встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение вектора ЭДС 
 на угол – 
 относительно его положения в режиме х.х. в сторону отставания (рис.6.1 слева). При этом в цепи обмотки статора появится результирующая ЭДС 
 , которая создаст в обмотке статора ток 
 , отстающий по фазе от ЭДС 
 на угол 90° (предполагается 
 ) и отстающий по фазе от напряжения сети 
 на угол 
 , (в генераторном режиме ток 
 , отстает по фазе от ЭДС 
 на угол 
 ).

Рисунок 6.1 - Переход синхронной машины из генераторного режима в двигательный
Ток 
 создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором, ось которого 
 смещена относительно продольной оси полюсов ротора 
 на угол – 
 . Допустим, работа двигателя происходит в режиме точки Д на угловой характеристике (рис. 6.1,слева), что соответствует углу – 
 . Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия полюсов 
 создадут на роторе двигателя электромагнитный момент 
 , направленный согласно с вращающим магнитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой 
 . При этом синхронная машина будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент 
 преодолевает момент х.х. 
 и создает на валу двигателя полезный момент 
 , под действием которого приводится во вращение исполнительный механизм:
 .
Все значения момента на угловой характеристике синхронного двигателя откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхронной машины из генераторного режима в двигательный электромагнитный момент меняет свое направление. Также отрицательной становится мощность синхронного двигателя, которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как это происходит в генераторном режиме. Оперирование с отрицательными значениями мощностей и моментов крайне неудобно, поэтому при рассмотрении синхронных двигателей условно будем принимать моменты и мощности положительными, помня при этом изложенное ранее о направлении этих параметров.

Рисунок 6.2 - Угловая характеристика синхронного двигателя
Электромагнитная мощность и электромагнитный момент синхронного двигателя определяются выражениями:
 ; 
 - - 
Угловые характеристики электромагнитного момента 
 и его составляющих 
 и 
 представлены на рис.6.2. Эти характеристики отличаются от угловых характеристик генератора лишь тем, что располагаются в третьем квадранте осей координат, т. е. определяются отрицательными значениями углов 
 и моментов 
 и 
 , а также момента 
 при 
 .
Таким образом, в общем виде угловая характеристика синхронной машины представляет собой две полуволны результирующего момента 
 : положительную, соответствующую генераторному режиму работы, и отрицательную, соответствующую двигательному режиму работы (рис.6.2). Переход машины из одного режима работы в другой происходит при 
 .
Устойчивая работа синхронного двигателя соответствует участку угловой характеристики при 
 .
Отношение максимального электромагнитного момента 
 к номинальному 
 определяет перегрузочную способность синхронного двигателя
 .
Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей 
 , что при номинальной нагрузке двигателя соответствует 
 эл. град.
Ротор синхронного двигателя может вращаться только с синхронной частотой 
 . Чтобы убедиться в этом, достаточно предположить, что ротор двигателя начнет вращаться с частотой 
 . В какой-то момент времени намагниченные полюсы ротора расположатся против одноименных полюсов вращающегося магнитного поля статора и тогда нарушится магнитная связь между намагниченными полюсами ротора и полюсами вращающегося поля статора, так как их одноименные полюсы будут взаимно отталкиваться и ротор, перестав испытывать устойчивое действие вращающего электромагнитного момента, остановится.
Вращение ротора синхронных двигателей только с синхронной частотой составляет характерную особенность этих двигателей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения).
По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют некоторые особенности. Их изготовляют преимущественно явнополюсными с 
 полюсов; воздушный зазор делают меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что способствует улучшению ряда параметров двигателя, в частности уменьшению пускового тока; демпферную (успокоительную) обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при пуске двигателя она является пусковой обмоткой; ширина полюсного наконечника достигает 
 вместо 
 в генераторах. Поэтому, несмотря на свойство обратимости, синхронные машины, выпускаемые промышленностью, имеют обычно целевое назначение – либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.