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同步發電機主要運行方式有三種，即作為發電機、電動機和補償機運行。
作為發電機運行是同步發電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步發電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數可以調節，在不要求調速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地應用。
同步發電機還可以接於電網作為同步補償機。這時發電機不帶任何機械負載，靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。
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