由於同步電動機在穩定運行時，其轉速等於同步轉速，雖然同步電動機的機械特性較為簡單，但由於同步電動機僅在同步轉速下才能產生恆定的同步電磁轉矩，不能採取直接起動的方法，而必須採取專門的方法來起動。
1、同步電動機的起動
同步電動機在正常運行時，轉子恆以同步轉速旋轉，使旋轉的轉子磁場與定子因電磁作用而產生的旋轉磁場保持相對靜止，使得同步電動機產生穩定的電磁轉矩，故同步電動機能夠帶動負載穩定地並恆以同步速度運行。但是要利用這兩個定、轉子磁場之間的作用使電動機在50Hz的交流電源下從靜止狀態起動起來卻是非常困難的。
如果三相定子繞組接人三相對稱電源時，所建立的定子磁場N極正好擦過巳勵磁的轉子磁極的S極面，由於異性磁極的吸引作用，定子磁場力圖將靜止的轉子吸著與它一同旋轉。但由於轉子有著相當大的機械慣性，當轉子尚未來得及向前轉動時，定子磁場的N極已轉到了轉子D極的後面。它又力圖將轉子拉向倒退。在轉子仍未反應過來時，定子磁場的"極又轉到了轉子S極的前方，苒度要將轉子向前拉……如此反覆，致使轉子只能在原處擺動而旋轉不起來。因此不能在額定電源下直接起動是同步電動機的主要缺點之一。為了使同步電動機得以起動，目前可採用的方法主要有三種。
1.1輔助電動機起動
選用一臺和同步電動機極數相同的異步電動機作為輔助電動機來牽引同步電動機。起動時在同步電動機轉子尚未加入勵磁的情況下，先用輔助電動機將轉子牽引到接近同步轉速，然後採用自整步法，在同步電動機轉子勵磁繞組中通入直流勵磁電流，再利用整步轉矩將同步電動機接入電網，這時在定、轉子磁場的共同作用下將轉子拉入同步運行。此時輔助電動機巳失去作用，為減小不必要的損耗，可切斷輔助電動機電源使它與主機脫離並停止運行。該方法只適用於空載起動或同步調相機的起動，其所需設備多、操作複雜。
1.2異步起動
現代大多數同步電動機，在其轉子上都裝有類似異步電動機的籠型繞組（稱為起動繞組或阻尼繞組）。在定子接通電源後，起動繞組中便能產生異步電磁轉矩起動電動機，等轉速接近同步轉速時，再通入勵磁電流，利用同步電磁轉矩將電動機牽入同步轉速。這種起動方法是目前同步電動機最常用的起動方法。
異步起動時，勵磁繞組不能開路，否則由於勵磁繞組匝數很多，定子旋轉磁場將在勵磁繞組內感應很高的電壓，可能會擊穿勵磁繞組的匝間絕緣，甚至造成人身事故。異步起動時，勵磁繞組也不能直接短路。如果直接短路，勵磁繞組中將感生一個很大單相電流，此單相電流與旋轉氣隙磁場相互作用，將產生一個較大附加轉矩（單軸轉矩〉。因為異步起動時實際的起動轉矩是起動繞組產生的異步轉矩和單軸轉矩之和（兩者合成〉。通常選用一個阻值為勵磁繞組本身阻值10倍左右的起動電阻與轉子勵磁繞組串接，以減小勵磁繞組中的感應電流，削弱單軸轉矩對起動的影響。
2、同步電動機的變頻調速
同步電動機是以其轉速"與供電電源頻率力之間保持嚴格同步關係而命名的，即只要電源頻率保持不變，同步電動機的轉速就恆定不變而與負載大小無關。因此要改變同步電動機的轉速，只有通過改變其供電電源的頻率來達到，即採用變頻調速的方法。
2.1他控式同步電動機變頻調速系統
他控式同步電動機變頻調速系統中的變頻裝置可以採用交-直-交變頻器，也可採用交-交變頻器。該系統結構簡單，控制方便，只需一臺變頻器供電，成本低廉。可作為變頻起動裝置，實現同步電動機的軟起動；也可用於多臺同步電動機的群調速系統。但由於沒有轉速反饋，他控式變頻調速方法雖然可以實現同步電動機的轉速調節，但就像同步電動機接在工頻電網上一樣，存在轉子振盪和失步的隱患，這是他控式同步電動機
2.2自控式同步電動機變頻調速系統
與他控式同步電動機變頻調速相比，自控式同步電動機變頻調速的最大特點就是從根本上消除了同步電動機轉子振盪和失步的隱患。因為自控式同步電動機變頻調速系統在電動機軸端裝有一臺轉子位置檢測器，由它發出的信號控制給定子供電的變頻裝置電力電子器件的導通順序和頻率，使定子旋轉磁場的轉速和轉子旋轉的轉速相等，始終保持同步，因此不會因負載衝擊等造成失步現象。這種調速方式適用於快速可逆運行和負載變化劇烈的場合。
自控式同步電動機變頻調速系統中的變頻裝置，可採用交-直-交型，也可採用交-交型。自控式同步電動機變頻調速系統中的同步電動機，從電機結構上看，它是交流的，但從其工作原理上看，就像是一臺直流電動機。它採用電力電子逆變器和轉子位置檢測器，代替了容易產生火花的旋轉接觸式換向器，即用電子換向取代機械換向。因此自控式同步電動機變頻調速系統又稱為無換向器電動機的調速系統。自控式變頻同步電動機也稱為無換向器電動機。根據調速系統所採用的變頻裝置不同，無換向器電動機可分為交流和直流兩類。採用交-直-交變頻裝置時，其逆變器由直流電源供電，故稱為直流無換向器電動機；採用交-交變頻裝置時，其逆變器由交流電源供電，故稱為交流無換向器電動機。
3、同步電動機的功率因數補償應用
隨著電力系統日益擴大，運行在系統上的主要負載是異步電動機與變壓器。因此，電網就要擔負很大一部分電感性的無功功率，導致整個電網的功率因數降低，使得線路損耗和壓降增大，輸電質量變壞，電力系統運行也很不經濟。為此，就提出了提高電網功率因數的要求。而同步電動機在額定電壓和額定頻率下，在輸出功率不變的條件下，改變勵磁電流的大小，就可以改變流入同步電動機定子電流的性質。即正常勵磁時，同步電動機的定子電流與定子電壓同相位，相當於純電阻性負載；當勵磁電流比正常勵磁電流大時（處於過勵狀態），同步電動機定子電流在相位上超前定子電壓，相當於電阻電容性負載；當勵磁電流小於正常勵磁電流時（處於欠勵狀態），同步電動機定子電流在相位上滯後定子電壓，相當於電阻電感性負載。因此，同步電動機接人電網，通過調節其勵磁電流，能夠起到改善電網總功率因數的作用。一些大生產企業為了提高電網的功率因數，常使用同步電動機來補償電網的功率因數。
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