Desarrollo de un módulo hardware in the Loop para la emulación de redes de distribución eléctrica y consumo energético

Abstract

En el contexto educativo y experimental, se ha identificado la necesidad de contar con herramientas didácticas que permitan la simulación y validación en tiempo real de sistemas eléctricos, sin comprometer la seguridad ni requerir infraestructura industrial compleja. El objetivo general de este proyecto fue diseñar e implementar un módulo portátil bajo el enfoque Hardware-in-the-Loop (HIL), capaz de emular redes de distribución eléctrica y el comportamiento de cargas reales. Para ello, se aplicó una metodología basada en el diseño por etapas, que incluyó la selección de componentes, el desarrollo estructural y la integración de controladores, sensores y sistemas de comunicación, empleando herramientas como STM32CubeIDE y Arduino IDE. El prototipo final integra una placa de desarrollo ST Nucleo-F302R8, un módulo inversor STEVAL-IHM023V3, un medidor trifásico ZM194-D9Y, transformadores de corriente y voltaje, así como una interfaz HMI para visualización. La arquitectura permite cerrar el lazo entre simulación digital y sistema físico mediante control embebido y adquisición de datos en tiempo real. Se priorizó un diseño compacto, seguro y fácilmente transportable, con protección de componentes mediante acrílicos. Se logró validar el funcionamiento básico mediante una prueba de comunicación serial usando Arduino. Como proyección futura se plantea la integración de modelos dinámicos complejos y protocolos industriales como Modbus RTU. Este desarrollo representa una herramienta eficaz para la enseñanza de control digital, electrónica de potencia y monitoreo energético.

Abstract In educational and experimental contexts, there is a growing need for didactic tools that enable real-time simulation and validation of electrical systems without relying on complex industrial infrastructure. The main objective of this project was to design and implement a portable Hardware-in-the-Loop (HIL) module capable of emulating distribution networks and the behavior of real loads. A stage-based methodology was applied, encompassing the selection of components, structural design, and integration of controllers, sensors, and communication systems, using platforms such as STM32CubeIDE and Arduino IDE. The final prototype integrates a ST Nucleo-F302R8 development board, a STEVAL-IHM023V3 inverter module, a ZM194-D9Y three-phase power meter, current and voltage transformers, and an HMI interface for visualization. The architecture closes the loop between digital simulation and physical systems through embedded control and real-time data acquisition. The design prioritized compactness, safety, and portability, using acrylic covers for component protection. Basic functionality was validated through serial communication tests using Arduino. Future work includes the integration of complex dynamic models and industrial protocols such as Modbus RTU. This development represents an effective educational tool for teaching digital control, power electronics, and energy monitoring.