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.
